JP2011030571A - Method and composition for production of orthogonal trna-aminoacyltrna synthetase pair - Google Patents

Method and composition for production of orthogonal trna-aminoacyltrna synthetase pair Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide more efficient and effective methods to alter and improve the biosynthetic mechanism of a cell. <P>SOLUTION: This invention provides compositions and methods for generating components of protein biosynthetic mechanism including orthogonal tRNAs, orthogonal aminoacyl-tRNA synthetases, and orthogonal pairs of tRNAs/synthetases. These compositions include novel orthogonal tRNA-aminoacyl-tRNA synthetase pairs. The novel orthogonal pairs can be used to incorporate an unnatural amino acid in a polypeptide in vivo. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2001年4月19日に出願された米国仮特許出願第60/285,030号、及び2002年2月6日に出願された米国特許出願第60/355,514号の優先権を主張し、それらの明細書の全体をここで援用する。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application includes US Provisional Patent Application No. 60 / 285,030 filed April 19, 2001, and US Patent Application No. 60/355, filed February 6, 2002. The priority of 514 is claimed and the entire specification thereof is incorporated herein.

連邦政府の後援を受けた研究開発の下で為された発明の権利に関する声明
本発明は、海軍研究事務所からの補助金交付第6502573号及び国立研究所からの補助金交付第GM2159号の下で米国政府の支援により為された。米国政府はこの発明に一定の権利を有する。
Statement of rights to invention made under federal-sponsored research and development This invention is subject to subsidy grant No. 6502573 from Naval Research Office and grant grant No. GM2159 from National Laboratories It was done with the support of the US government. The US government has certain rights in this invention.

技術分野
本発明は翻訳生化学の分野に関する。特に、本発明は突然変異直交tRNA、突然変異直交アミノアシルtRNAシンテターゼ及びその対の生産方法に関する。本発明は非天然アミノ酸をタンパク質にinvivo組込むために使用する直交対を同定するための方法と関連組成物も提供する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of translation biochemistry. In particular, the invention relates to methods for producing mutant orthogonal tRNAs, mutant orthogonal aminoacyl tRNA synthetases and pairs thereof. The present invention also provides methods and related compositions for identifying orthogonal pairs used to incorporate unnatural amino acids into proteins in vivo.

タンパク質は光合成からシグナル伝達や免疫応答に至るまでの複雑な生命現象のほぼ全てを行っている。これらの複雑な機能を理解し、制御するためには、タンパク質の構造と機能の関係の理解を深めることが必要である。 Proteins carry out almost all complex life phenomena, from photosynthesis to signal transduction and immune responses. In order to understand and control these complex functions, it is necessary to deepen the understanding of the relationship between protein structure and function.

化合物の機能特性を変えるためにほぼ任意構造を変化させることができる小有機分子合成と異なり、タンパク質合成は20種の天然アミノ酸によりコードされる変化に限られる。細菌からヒトに至る全公知生物の遺伝コードは同一の20種の共通アミノ酸をコードする。これらのアミノ酸はタンパク質の翻訳後修飾(例えばグリコシル化、リン酸化又は酸化)、又は頻度は低いが、例えばセレノシステインの場合のようにアミノアシル化サプレッサーtRNAの酵素修飾により改変することができる。それにもかかわらず、これらの僅か20種の単純な構成単位から合成されるポリペプチドが複雑な生命現象の全てを行っている。 Unlike small organic molecule synthesis, where almost any structure can be altered to alter the functional properties of the compound, protein synthesis is limited to changes encoded by 20 natural amino acids. The genetic code of all known organisms from bacteria to humans encodes the same 20 common amino acids. These amino acids can be altered by post-translational modifications of the protein (eg, glycosylation, phosphorylation or oxidation) or, to a lesser extent, by enzymatic modification of aminoacylated suppressor tRNAs, such as in the case of selenocysteine. Nevertheless, polypeptides synthesized from these 20 simple building blocks perform all of the complex life phenomena.

部位特異的及びランダム突然変異誘発はタンパク質の特定アミノ酸を他の19種の共通アミノ酸の任意のもので置換でき、タンパク質の構造と機能の関係を解明するための重要なツールになっている。これらの方法により、安定性、触媒活性及び結合特異性等の特性を強化したタンパク質を作製することが可能になっている。しかし、タンパク質置換は大半が単純な官能基をもつ20種の共通アミノ酸に限られているKnowles,J.R.Tinkeringwith enzymes: whatare we learning?Science,236(4806)1252−1258(1987);及びZoller,M.J.,Smith,M.Oligonucleotide−directedmutagenesis of DNA fragments cloned intoM13 vectors,Methods Enzymol,154:468−500(1983)参照。新規な生物学的、化学的又は物理的特性をもつ付加アミノ酸を含むように遺伝コードを拡張することにより、例えば天然タンパク質のように20種の共通アミノ酸に含まれるアミノ酸のみから構成されるタンパク質に比較してタンパク質の性質(例えば寸法、酸性度、求核性、水素結合、疎水性)を改変することができる。 Site-specific and random mutagenesis can replace specific amino acids of a protein with any of the other 19 common amino acids, making it an important tool for elucidating the relationship between protein structure and function. These methods make it possible to produce proteins with enhanced properties such as stability, catalytic activity, and binding specificity. However, protein substitution is mostly limited to 20 common amino acids with simple functional groups. Knowles, J. et al. R. Tinkeringwith enzymes: what we learning? Science , 236 (4806) 1252-1258 (1987); and Zoller, M .; J. et al. Smith, M .; See Oligonucleotide-directedmutageness of DNA fragments cloned into M13 vectors, Methods Enzymol, 154: 468-500 (1983). By extending the genetic code to include additional amino acids with new biological, chemical or physical properties, for example, a protein composed only of amino acids contained in 20 common amino acids such as natural proteins In comparison, protein properties (eg, size, acidity, nucleophilicity, hydrogen bonding, hydrophobicity) can be modified.

非天然アミノ酸をタンパク質に導入するために数種のストラテジーが利用されている。最初の実験はLys、Cys及びTyr等の反応性側鎖をアミノ酸に付加した(例えばリジンを

アセチル−リジンに変換)。化学合成も非天然アミノ酸を導入する簡単な方法であるが、日常的固相ペプチド合成は一般に100残基未満の小ペプチド又はタンパク質に限られている。ペプチドフラグメントの酵素ライゲーションと天然化学ライゲーションの最近の開発に伴い、より大きいタンパク質を生産することが可能であるが、方法の大規模化は容易ではない。例えばP.E.DawsonとS.B.H.Kent,Annu.Rev.Biochem.,69:923(2000)参照。タンパク質生合成に有用なinvitro抽出物に所望非天然アミノ酸で化学的にアシル化したサプレッサーtRNAを加える一般的なin vitro生合成法を使用して100種を上回る非天然アミノ酸がほぼ任意寸法の各種タンパク質に部位特異的に組込まれている。例えばV.W.Cornish,D.Mendeland P.G.Schultz,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,1995,34:621(1995);C.J.Noren,S.J.Anthony−Cahill,M.C.Griffith,P.G.Schultz,Ageneral method forsite−specific incorporation of unnatural amino acids into proteins,Science244 182−188(1989);及びJ.D.Bain,C.G.Glabe,T.A.Dix,A.R.Chamberlin,E.S.Diala,Biosyntheticsite−specific incorporation of a non−naturalamino acid intoa polypeptide,J.Am.Chem.Soc.111 8013−8014(1989)参照。タンパク質安定性、タンパク質フォールディング、酵素メカニズム及びシグナル伝達の研究のために多様な官能基がタンパク質に導入されている。これらの研究はタンパク質生合成機構が多様なアミノ酸側鎖を許容することを立証しているが、方法は技術的に困難であり、突然変異タンパク質収率は低い。
Several strategies have been used to introduce unnatural amino acids into proteins. The first experiment added reactive side chains such as Lys, Cys and Tyr to amino acids (eg lysine

Converted to acetyl-lysine). Chemical synthesis is also a simple method of introducing unnatural amino acids, but routine solid phase peptide synthesis is generally limited to small peptides or proteins of less than 100 residues. With the recent development of enzymatic ligation and natural chemical ligation of peptide fragments, it is possible to produce larger proteins, but it is not easy to scale up the method. For example, P.I. E. Dawson and S.W. B. H. Kent, Annu. Rev. Biochem. 69: 923 (2000). Add a suppressor tRNA chemically acylated with a desired unnatural amino acid to an in vitro extract useful for protein biosynthesis. Using a general in vitro biosynthesis method, more than 100 unnatural amino acids can be of any size. It is site-specifically incorporated into proteins. For example V. W. Cornish, D.C. Mendelland P.M. G. Schultz, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. , 1995, 34: 621 (1995); J. et al. Noren, S.M. J. et al. Anthony-Chill, M .; C. Griffith, P.M. G. Schultz, General method for-specific incorporation of unnatural amino acids into proteins, Science 244 182-188 (1989); D. Bain, C.I. G. Glabe, T.A. A. Dix, A.M. R. Chamberlin, E .; S. Diala, Biosyntheticite-specific information of a non-naturalamino acid intoa polypeptide, J. Biol . Am. Chem. Soc. 111 8013-8014 (1989). A variety of functional groups have been introduced into proteins for the study of protein stability, protein folding, enzyme mechanisms and signal transduction. Although these studies demonstrate that protein biosynthetic mechanisms tolerate diverse amino acid side chains, the method is technically difficult and the mutant protein yield is low.

50年以上前に天然アミノ酸の多数の類似体は細菌の増殖を阻害することが発見された。これらのアミノ酸類似体の存在下で生産したタンパク質を分析すると、各種程度までその天然対応物を置換していることが分かった。例えば、M.H.Richmond,Bacteriol.Rev.26:398(1962)参照。これは正しいアミノ酸とそのコグネイトtRNAの結合に関与する酵素であるアミノアシル−tRNAシンテターゼが類似体を対応する天然アミノ酸から厳密に区別できないためである。例えば、ノルロイシンはメチオニル−tRNAシンテターゼにより負荷され、p−フルオロフェニルアラニンはフェニルアラニン−tRNAシンテターゼにより負荷される。D.B.Cowie,G.N.Cohen,E.T.Boltonand H.DeRrobinchon−Szulmajst,Biochim.Biophys.Acta,1959,34:39(1959);及びR.MunierとG.N.Cohen,Biochim.Biophys.Acta,1959,31:378(1959)参照。 More than 50 years ago, many analogs of natural amino acids were found to inhibit bacterial growth. Analysis of the proteins produced in the presence of these amino acid analogs revealed that their natural counterparts were substituted to varying degrees. For example, M.M. H. Richmond, Bacteriol. Rev. 26: 398 (1962). This is because aminoacyl-tRNA synthetases, which are enzymes involved in binding the correct amino acid to its cognate tRNA, cannot strictly distinguish analogs from the corresponding natural amino acids. For example, norleucine is loaded by methionyl-tRNA synthetase and p-fluorophenylalanine is loaded by phenylalanine-tRNA synthetase. D. B. Cowie, G.C. N. Cohen, E .; T.A. Boltonand H.M. DeRrobinchon-Szulmajst, Biochim. Biophys. Acta , 1959, 34:39 (1959); Munier and G. N. Cohen, Biochim. Biophys. Acta , 1959, 31: 378 (1959).

その後、種々の野生型シンテターゼを利用するために選択圧組込みと呼ばれるin vivo方法が開発された。例えばN.Budisa,C.Minks,S.Alefelder,W.Wenger,F.M.Dong,L.Moroderand R.Huber,FASEB J.,13:41(1999)参照。この方法では特定天然アミノ酸を細胞に供給する該当代謝経路を遮断する栄養要求株を使用し、ターゲット遺伝子の転写を抑制しながら制限濃度の天然アミノ酸を含む最少培地で培養する。定常増殖期が開始したら天然アミノ酸の供給を停止して非天然アミノ酸類似体に交換する。組換えタンパク質の発現を誘導すると、非天然類似体を含むタンパク質が蓄積する。例えば、このストラテジーを使用してo、m及びp−フルオロフェニルアラニンがタンパク質に組込まれ、紫外線スペクトルで容易に識別可能な2つの特徴的な肩を示しており(例えばC.Minks,R.Huber,L.Moroderand N.Budisa,Anal.Biochem.,284:29(2000)参照)、また、トリフルオロメチオニンを使用してバクテリオフアージT4リゾチームのメチオニンを置換し、キトオリゴ糖リガンドとのその相互作用が19F NMRにより試験されており(例えばH.Duewel,E.Darb,V.Robinsonand J.F.Honek,Biochemistry,36:3404(1997))、更にロイシンの代わりにトリフルオロロイシンを挿入してロイシン−ジッパータンパク質の熱及び化学安定性を高めている。例えばY.Tang,G.Ghirlanda,W.A.Petka,T.Nakajima,W.F.DeGradoand D.A.Tirrell,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,40:1494(2001)参照。更に、セレノメチオニンとテルロメチオニンを各種組換えタンパク質に組込んでX線結晶解析で位相決定を容易にしている。例えばW.A.Hendrickson,J.R.Hortonand D.M.Lemaster,EMBO J.,9:1665(1990);J.O.Boles,K.Lewinski,M.Kunkle,J.D.Odom,B.Dunlap,L.Lebiodaand M.Hatada,Nat.Struct.Biol.,1:283(1994);N.Budisa,B.Steipe,P.Demange,C.Eckerskorn,J.Kellermannand R.Huber,Eur.J.Biochem.,230:788(1995);及びN.Budisa,W.Karnbrock,S.Steinbacher,A.Humm,L.Prade,T.Neuefeind,L.Moroderand R.Huber,J.Mol.Biol.,270:616(1997)参照。アルケン又はアルキン官能基をもつメチオニン類似体も効率的に挿入され、化学的手段によりタンパク質の付加修飾が可能である。例えばJ.C.M.vanHestとD.A.Tirrell,FEBS Lett.,424:68(1998);J.C.M.van Hest,K.L.Kiickand D.A.Tirrell,J.Am.Chem.Soc.,122:1282(2000);及びK.L.KiickとD.A.Tirrell,Tetrahedron,56:9487(2000)参照。 Subsequently, an in vivo method called selective pressure integration was developed to utilize various wild type synthetases. For example, N.C. Budisa, C.I. Minks, S.M. Alefelder, W.M. Wenger, F.M. M.M. Dong, L.M. Moroderand R.M. Huber, FASEB J .; 13:41 (1999). In this method, an auxotrophic strain that blocks the metabolic pathway that supplies a specific natural amino acid to cells is used, and cultured in a minimal medium containing a limited concentration of the natural amino acid while suppressing transcription of the target gene. When the stationary growth phase begins, the supply of natural amino acids is stopped and replaced with non-natural amino acid analogs. Inducing expression of the recombinant protein accumulates proteins, including non-natural analogs. For example, using this strategy, o, m, and p-fluorophenylalanine are incorporated into proteins, showing two characteristic shoulders that are easily distinguishable in the ultraviolet spectrum (eg, C. Minks, R. Huber, L. Moroderand N. Budisa, Anal. Biochem., 284: 29 (2000)), and also using trifluoromethionine to displace the methionine of bacteriophage T4 lysozyme and its interaction with the chitooligosaccharide ligand 19 F NMR are tested by (e.g. H.Duewel, E.Darb, V.Robinsonand J.F.Honek, Biochemistry , 36: 3404 (1997)), leucine further inserted trifluoroacetic leucine instead of leucine Resulting in increased thermal and chemical stability of the zipper protein. For example, Y.M. Tang, G.M. Ghirlanda, W.M. A. Petka, T .; Nakajima, W .; F. DeGradoand D.D. A. Tirrrell, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 40: 1494 (2001). Furthermore, selenomethionine and telluromethionine are incorporated into various recombinant proteins to facilitate phase determination by X-ray crystallography. For example, W.W. A. Hendrickson, J.M. R. Hortonand D. M.M. Lemaster, EMBO J. et al. 9: 1665 (1990); O. Boles, K.M. Lewisinki, M .; Kunkle, J .; D. Odom, B.M. Dunlap, L.M. Lebiodaand M.M. Hatada, Nat. Struct. Biol. 1: 283 (1994); Budisa, B .; Steipe, P.M. Demage, C.I. Eckersorn, J.M. Kellermannand R.K. Huber, Eur. J. et al. Biochem. , 230: 788 (1995); Budisa, W .; Karnblock, S .; Steinbacher, A.M. Humm, L.M. Prade, T .; Neufeind, L.M. Moroderand R.M. Huber, J .; Mol. Biol. 270: 616 (1997). Methionine analogs with alkene or alkyne functional groups can also be efficiently inserted, allowing additional modification of proteins by chemical means. For example, J. et al. C. M.M. vanHest and D.W. A. Tirrrell, FEBS Lett. 424: 68 (1998); C. M.M. van Hest, K.M. L. Kiickand D. A. Tirrell, J. Am. Chem. Soc. 122: 1282 (2000); L. Kiick and D.C. A. See Tirrrell, Tetrahedron, 56: 9487 (2000).

この方法の成功は一般にタンパク質翻訳の忠実度を確保するためには高い選択性を必要とするアミノアシル−tRNAシンテターゼによる非天然アミノ酸類似体の認識に依存している。従って、この方法により接近可能な化学官能基の範囲は限られている。例えば、チアプロリンは定量的にタンパク質に組込むことができるが、オキサプロリンやセレノプロリンはできない。N.Budisa,C.Minks,F.J.Medrano,J.Lutz,R.Huberand L.Moroder,Proc.Natl.Acad.Sci.US A.95:455(1998)参照。この方法の範囲を拡大する1つの方法はアミノアシル−tRNAシンテターゼの基質特異性を緩和することであり、少数の例で成功している。例えば、大腸菌フェニルアラニル−tRNAシンテターゼ(PheRS)でAla294をGlyに置換すると、基質結合ポケットの寸法が増し、その結果、tRNAPheはp−Cl−フェニルアラニン(p−Cl−Phe)によりアシル化される。M.Ibba,P.Kastand H.Hennecke,Biochemistry,33:7107(1994)参照。この突然変異体PheRSを大腸菌株に導入すると、フェニルアラニンの代わりにp−Cl−フェニルアラニン又はp−Br−フェニルアラニンを組込むことができる。例えばM.IbbaとH.Hennecke,FEBSLett.,364:272(1995);及びN.Sharma,R.Furter,P.Kastand D.A.Tirrell,FEBS Lett.,467:37(2000)参照。同様に、大腸菌チロシル−tRNAシンテターゼのアミノ酸結合部位の近傍の点突然変異Phe130Serの結果、アザチロシンをチロシンよりも効率的に組込めることが示されている。F.Hamano−Takaku,T.Iwama,S.Saito−Yano,K.Takaku,Y.Monden,M.Kitabatake,D.Solland S.Nishimura,J.Biol.Chem.,275:40324(2000)参照。 The success of this method generally relies on the recognition of unnatural amino acid analogs by aminoacyl-tRNA synthetases that require high selectivity to ensure fidelity of protein translation. Therefore, the range of chemical functional groups accessible by this method is limited. For example, thiaproline can be quantitatively incorporated into proteins, but not oxaproline or selenoproline. N. Budisa, C.I. Minks, F.M. J. et al. Medrano, J. et al. Lutz, R.A. Huberand L. Moroder, Proc. Natl. Acad. Sci. US A. 95: 455 (1998). One way to expand the scope of this method is to alleviate the substrate specificity of aminoacyl-tRNA synthetase, which has been successful in a few examples. For example, replacing Ala 294 with Gly with E. coli phenylalanyl-tRNA synthetase (PheRS) increases the size of the substrate binding pocket, resulting in tRNAPhe being acylated with p-Cl-phenylalanine (p-Cl-Phe). The M.M. Ibba, P.M. Kastand H.C. See Hennecke, Biochemistry , 33: 7107 (1994). When this mutant PheRS is introduced into an E. coli strain, p-Cl-phenylalanine or p-Br-phenylalanine can be incorporated instead of phenylalanine. For example, M.M. Ibba and H.I. Hennecke, FEBSLett. 364: 272 (1995); Sharma, R .; Furter, P.A. Kastand D.C. A. Tirrrell, FEBS Lett. 467: 37 (2000). Similarly, a point mutation Phe130Ser near the amino acid binding site of E. coli tyrosyl-tRNA synthetase has shown that azatyrosine can be incorporated more efficiently than tyrosine. F. Hamano-Takaku, T .; Iwama, S .; Saito-Yano, K .; Takaku, Y. et al. Monden, M.M. Kitatatake, D.A. Solland S.M. Nishimura, J. et al . Biol. Chem. 275: 40324 (2000).

アミノアシル化の忠実性は非コグネイト中間体及び生成物の基質識別とプルーフリーディングの両レベルで維持される。従って、非天然アミノ酸をタンパク質にinvivo組込む代替ストラテジーはプルーフリーディングメカニズムをもつシンテターゼの改変である。これらのシンテターゼはコグネイト天然アミノ酸に構造的に類似するアミノ酸を識別することができず、従って活性化することができない。このエラーは別部位で修正され、tRNAから誤って負荷されたアミノ酸を脱アシル化し、タンパク質翻訳の忠実度を維持する。シンテターゼのプルーフリーディング活性が機能しなくなると、誤って活性化された構造類似体が編集機能から抜け落ちて組込まれる恐れがある。このアプローチはバリル−tRNAシンテターゼ(ValRS)で最近立証されている。V.Doring,H.D.Mootz,L.A.Nangle,T.L.Hendrickson,V.deCrecy−Lagard,P.Schimmel and P.Marliere,Science,292:501(2001)参照。ValRSがtRNA ValをCys、Thr又はアミノ酪酸(Abu)で誤ってアミノアシル化すると、これらの非コグネイトアミノ酸は編集ドメインにより加水分解される。大腸菌染色体のランダム突然変異誘発後に、ValRSの編集部位に突然変異をもつ突然変異体大腸菌株が選択された。この編集欠損ValRSはtRNAValに誤ってCysを負荷する。AbuはCysに立体的に似ている(AbuではCysの−SH基を−CH3で置換)ので、この突然変異体大腸菌株をAbuの存在下に増殖させると、突然変異体ValRSはAbuもタンパク質に組込む。質量分析によると、天然タンパク質ではバリンの約24%が各バリン位でAbuにより置換されている。 Aminoacylation fidelity is maintained at both the non-cognate intermediate and product substrate discrimination and proofreading levels. Thus, an alternative strategy for incorporating unnatural amino acids into proteins in vivo is the modification of synthetases with a proofreading mechanism. These synthetases cannot distinguish amino acids that are structurally similar to cognate natural amino acids and therefore cannot be activated. This error is corrected at another site to deacylate amino acids misloaded from the tRNA and maintain protein translation fidelity. If the proofreading activity of synthetase ceases to function, a mis-activated structural analog may fall out of the editing function and be incorporated. This approach has recently been demonstrated with valyl-tRNA synthetase (ValRS). V. Doring, H.C. D. Mootz, L.M. A. Nangle, T .; L. Hendrickson, V.M. deCrecy-Lagard, P.M. Schimmel and P.M. See Marliere, Science , 292: 501 (2001). If ValRS mistakenly aminoacylates tRNA Val with Cys, Thr or aminobutyric acid (Abu), these non-cognate amino acids are hydrolyzed by the editing domain. After random mutagenesis of the E. coli chromosome, mutant E. coli strains with mutations at the ValRS editing site were selected. This editing deficient ValRS erroneously loads Cys into tRNAVal. Since Abu is sterically similar to Cys (with Abu replacing the -SH group of Cys with -CH3), when this mutant E. coli strain is grown in the presence of Abu, mutant ValRS Incorporate into. According to mass spectrometry, about 24% of the valine in natural proteins is replaced with Abu at each valine position.

上記方法の少なくとも1つの重大な欠点は、タンパク質中の特定天然アミノ酸に対応する全部位を置換することである。また、天然及び非天然アミノ酸の組込み度も一定せず、細胞の内側でコグネイト天然アミノ酸を完全に枯渇させることは困難であるので、定量的置換が達成されることは稀である。類似体の多重部位組込みは毒性を生じるので、これらのストラテジーは生きた細胞では突然変異体タンパク質を試験し難いという欠点もある。最後に、ゲノム内の全部位で置換できなければならないという理由から、この方法は一般に共通アミノ酸の近似構造類似体にしか適用できない。 At least one significant drawback of the above method is the substitution of all sites corresponding to specific natural amino acids in the protein. Also, the degree of integration of natural and unnatural amino acids is not constant and it is difficult to completely deplete cognate natural amino acids inside the cell, so quantitative substitution is rarely achieved. These strategies also have the disadvantage that it is difficult to test mutant proteins in living cells, since multisite integration of analogs results in toxicity. Finally, this method is generally applicable only to approximate structural analogs of common amino acids because it must be able to substitute at every site in the genome.

固相合成及び半合成法により新規アミノ酸を含む多数の小タンパク質の合成も行われている。例えば以下の刊行物とその引用文献を参照されたい。Crick,F.J.C.,Barrett,L.Brenner,S.Watts−Tobin,R.Generalnatue of the genetic code forproteins.Nature,192:1227−1232(1961);Hofmann,K.,Bohn,H.Studieson polypeptides.XXXVI.The effect ofpyrazole−imidazole replacements on the S−protein activating potency of an S−peptide fragments,J.Am.Chem.,5914−5919(1966);Kaiser,E.T.Syntheticapproaches to biologicallyactive peptides andproteins including enzymes,Acc.Chem.Res.,47−54(1989);Nakatsuka,T.,Sasaki,T.,Kaiser,E.T.Peptidesegment coupling catalyzedby the semisyntheticenzyme thiosubstilisin,J.Am.Chem.Soc.,3808−3810(1987);Schnolzer,M.,Kent,SB H.Constructing proteinsby dovetailing unprotectedsynthetic peptides:backbone−engineered HIV protease,Science,221−225(1992);Chaiken,I.M.Semisyntheticpeptides and proteins,CRCCrit.Rev.Biochem.,255−301(1981);Offord,R.E.Protein engineeringby chemical means?ProteinEng.,151−157(1987);及びJackson,D.Y.,Burnier,J.,Quan,C.,Stanley,M.,Tom,J.,Wells,J.A.ADesigned Peptide Ligasefor Total Synthesisof Ribonuclease A with Unnatural CatalyticResidues,Science,243(1994)。 Numerous small proteins containing novel amino acids have also been synthesized by solid phase synthesis and semisynthetic methods. For example, see the following publications and references cited therein. Crick, F.M. J. et al. C. Barrett, L .; Brenner, S.M. Watts-Tobin, R.W. General nature of the genetic code forproteins. Nature , 192: 1227-1232 (1961); Hofmann, K .; Bohn, H .; Studies polypeptides. XXXVI. The effect of pyrazole-imposition replacements on the S-protein activating potency of an S-peptide fragments, J. MoI . Am. Chem. , 5914-5919 (1966); Kaiser, E .; T.A. Syntheticapproaches to biologically active peptides and proteins including enzymes, Acc. Chem. Res. 47-54 (1989); Nakatsuka, T .; , Sasaki, T .; Kaiser, E .; T.A. Peptide segment coupling catalyzed by the semi-enzyme thiosubtilisin, J. MoI . Am. Chem. Soc. , 3808-3810 (1987); Schnolzer, M .; , Kent, SB H.M. Constructing proteinsby dovetailing unprotected synthetic peptides: backbone-engineered HIV protease, Science , 221-225 (1992); M.M. Semisynthetic peptides and proteins, CRCCrit. Rev. Biochem. , 255-301 (1981); E. Protein engineering by chemical means? ProteinEng. 151-157 (1987); and Jackson, D .; Y. , Burnier, J .; Quan, C .; Stanley, M .; Tom, J .; Wells, J .; A. Designed Peptide Ligation for Total Synthesis of Ribonuclease A with Unreal Catalytic Residues, Science , 243 (1994).

補因子、スピンラベル及びオリゴヌクレオチド等の各種非天然側鎖をタンパク質にin vitro導入するために化学修飾が使用されている。例えばCorey,D.R.,Schultz,P.G.Generation of a hybrid sequence−specific single−stranded deoxyribonuclease,Science,283(4832):1401−1403(1987);Kaiser,E.T.,LawrenceD.S.,Rokita,S.E.The chemical modification of enzymatic specificity,Rev Biochem.,54:565−595(1985);Kaiser,E.T.,Lawrence,D.S.Chemical mutation of enzyme active sites,Science,226(4674)505−511(1984);Neet,K.E.,NanciA,Koshland,D.E.Properties of thiol−substilisin,J.Biol.Chem.,243(24):6392−6401(1968);Polgar,L.B.,M.L.Anew enzyme containinga synthetically formedactive site.Thiol−substilisin.J.Am.Chem.Soc.,88:3153−3154(1966);及びPollack,S.J.,Nakayama,G.Schultz,P.G.Introductionof nucleophiles andspectroscopic probes intoantibody combining sites,Science,242(4881):1038−1040(1988)参照。 Chemical modifications have been used to introduce various non-natural side chains such as cofactors, spin labels and oligonucleotides into proteins in vitro. For example, Corey, D .; R. Schultz, P .; G. Generation of a hybrid sequence-specific single-stranded deoxyribonuclease, Science , 283 (4832): 1401-1403 (1987); T.A. Lawrence D. S. , Rokita, S .; E. The chemical modification of enzymatic specificity, Rev Biochem. 54: 565-595 (1985); Kaiser, E .; T.A. Lawrence, D .; S. Chemical mutation of enzyme active sites, Science , 226 (4674) 505-511 (1984); E. , NanciA, Koshland, D .; E. Properties of thiol-substilisin, J. et al . Biol. Chem. 243 (24): 6392-6401 (1968); Polgar, L .; B. , M.M. L. New enzyme containinginga synthetically formed site. Thiol-substilisin. J. et al. Am. Chem. Soc. 88: 3153-3154 (1966); and Pollac, S .; J. et al. Nakayama, G .; Schultz, P.M. G. See Introduction of nucleophiles and spectroscopic probes into antibody combining sites, Science , 242 (4881): 1038-1040 (1988).

あるいは、数種の生物理学的プローブをin vitro合成タンパク質に組込むために化学修飾アミノアシル−tRNAを利用する生合成法が使用されている。以下の刊行物とその引用文献参照。Brunner,J.NewPhotolabeling and crosslinkingmethods,Annu.Rev.Biochem,62:483−514(1993);及びKrieg,U.C.,Walter,P.,Hohnson,A.E.Photocrosslinkingof the signal sequence of nascent preprolactin of the 54−kilodalton polypeptide of the signal recognition particle,Proc.Natl.Acad.Sci,83(22):8604−8608(1986)。 Alternatively, biosynthetic methods utilizing chemically modified aminoacyl-tRNA have been used to incorporate several biophysical probes into in vitro synthesized proteins. See the following publications and cited references. Brunner, J. et al. New Photolabeling and crosslinking methods, Annu. Rev. Biochem , 62: 483-514 (1993); and Krieg, U., et al. C. , Walter, P .; Honson, A .; E. Photocrosslinking of the signal sequence of nascent prepropractin of the 54-kiloidon polypeptide of the signal recognition particle . Natl. Acad. Sci , 83 (22): 8604-8608 (1986).

所望アンバーナンセンス突然変異を含む遺伝子でプログラムされたタンパク質合成反応に化学的にアミノアシル化したサプレッサーtRNAを加えることにより非天然アミノ酸をタンパク質に部位特異的にinvitro組込むことができることは従来示されている。これらのアプローチを使用すると、特定アミノ酸の栄養要求性株を使用して20種の共通アミノ酸の多数のものを近似構造相同体(例えばフェニルアラニンをフルオロフェニルアラニン)で置換することができる。例えばNoren,C.J.,Anthony−Cahill,Griffith,M.C.,Schultz,P.G.Ageneral method forsite−specific incorporation of unnatural amino acids into proteins,Science,244:182−188(1989);M.W.Nowakら,Science268:439−42(1995);Bain,J.D.,Glabe,C.G.,Dix,T.A.,Chamberlin,A.R.,Diala,E.S.Biosyntheticsite−specific Incorporation of a non−naturalamino acid intoa polypeptide,J.Am Chem Soc,111:8013−8014(1989);N.Budisaら,FASEBJ.13:41−51(1999);Ellman,J.A.,Mendel,D.,Anthony−Cahill,S.,Noren,C.J.,Schultz,P.G.Biosyntheticmethod for introducingunnatural amino acidssite−specifically into proteins.Methodsin Enz.,301−336(1992);及びMendel,D.,Cornish,V.W.& Schultz,P.G.Site−Directed Mutagenesiswith an Expanded Genetic Code,Annu.Rev.Biophys.Biomol.Struct.24,435−62(1995)参照。 It has previously been shown that unnatural amino acids can be incorporated into proteins in a site-specific manner by adding chemically aminoacylated suppressor tRNAs to protein synthesis reactions programmed with genes containing the desired amber nonsense mutation. Using these approaches, an auxotrophic strain of a particular amino acid can be used to replace many of the 20 common amino acids with approximate structural homologues (eg, phenylalanine to fluorophenylalanine). For example, Noren, C.I. J. et al. , Anthony-Chill, Griffith, M .; C. Schultz, P .; G. Ageneral method for-specific information of unnatural amino acids into proteins, Science , 244: 182-188 (1989); W. Nowak et al., Science 268: 439-42 (1995); Bain, J. et al. D. , Glabe, C.I. G. , Dix, T .; A. , Chamberlin, A .; R. , Diala, E .; S. Biosyntheticite-specific Information of a non-naturalamino acid intoa polypeptide, J. Bios . Am Chem Soc , 111: 8013-8014 (1989); Budisa et al . , FASEBJ. 13: 41-51 (1999); Ellman, J. et al. A. Mendel, D .; Anthony-Chill, S .; Noren, C .; J. et al. Schultz, P .; G. Biosynthetic method for introductive unnatural amino acid site-specifically into proteins. Methodsin Enz. , 301-336 (1992); and Mendel, D .; Cornish, V .; W. & Schultz, P.A. G. Site-Directed Mutagenesis an an Expanded Genetic Code, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 24, 435-62 (1995).

例えば、終止コドンUAGを認識するサプレッサーtRNAが作製され、非天然アミノ酸で化学的にアミノアシル化された。タンパク質遺伝子の所期部位に終止コドンTAGを導入するために慣用部位特異的突然変異誘発が使用された。例えばSayers,J.R.,Schmidt,W.Eckstein,F.5',3' Exonuclease in phosphorothioate−basedoligonucleotide−directed mutagenesis,NucleicAcids Res,16(3):791−802(1988)参照。アシル化サプレッサーtRNAと突然変異体遺伝子をin vitro転写/翻訳系で組合せると、UAGコドンに応答して非天然アミノ酸が組込まれ、このアミノ酸を特定位置に含むタンパク質が得られた。[3H]−Pheを使用する実験とα−ヒドロキシ酸を使用する実験によると、所望アミノ酸のみがUAGコドンにより指定される位置に組込まれ、このアミノ酸はタンパク質の他のどの位置にも組込まれないことが判明した。例えばNorenら,前出;及びEllman,J.A.,Mendel,D.,Schultz,P.G.Site−specificincorporation of novel backbone structures into proteins,Science,197−200(1992)参照。 For example, a suppressor tRNA that recognizes the stop codon UAG was generated and chemically aminoacylated with an unnatural amino acid. Conventional site-directed mutagenesis was used to introduce a stop codon TAG at the intended site of the protein gene. For example, Sayers, J. et al. R. , Schmidt, W.M. Eckstein, F.M. See 5 ', 3' Exonuclease in phosphorothioate-based oligonucleotide-directed mutagenesis, Nucleic Acids Res , 16 (3): 791-802 (1988). When the acylated suppressor tRNA and the mutant gene were combined in an in vitro transcription / translation system, an unnatural amino acid was incorporated in response to the UAG codon, and a protein containing this amino acid at a specific position was obtained. According to experiments using [ 3 H] -Phe and experiments using α-hydroxy acids, only the desired amino acid is incorporated at the position specified by the UAG codon and this amino acid is incorporated at any other position in the protein. Not found out. See, for example, Noren et al., Supra; and Ellman, J. et al. A. Mendel, D .; Schultz, P .; G. See Site-specific incorporation of novel backbone structures into proteins, Science , 197-200 (1992).

一般に、これらのin vitroアプローチはアミノ酸の部位特異的組込みが困難であることや、アミノ酸が20種の共通アミノ酸の単純な誘導体でなければならないことや、大きいタンパク質又はペプチドフラグメントの合成に伴う固有の問題などの限界がある。 In general, these in vitro approaches are difficult to site-specifically incorporate amino acids, have to be simple derivatives of 20 common amino acids, or are inherent in the synthesis of large proteins or peptide fragments. There are limitations such as problems.

非天然アミノ酸をタンパク質に組込むためにマイクロインジェクション法も使用されている。例えばM.W.Nowak,P.C.Kearney,J.R.Sampson,M.E.Saks,C.G.Labarca,S.K.Silverman,W.G.Zhong,J.Thorson,J.N.Abelson,N.Davidson,P.G.Schultz,D.A.Doughertyand H.A.Lester,Science,268:439(1995);及びD.A.Dougherty,Cuur.Opin.Chem.Biol.,4:645(2000)参照。invitro作製した2種のRNA種即ち所期アミノ酸位置にUAG終止コドンをもつターゲットタンパク質をコードするmRNAと、所望非天然アミノ酸でアミノアシル化したアンバーサプレッサーtRNAをアフリカツメガエル卵母細胞に同時に注射している。こうすると、卵母細胞の翻訳機構はUAGにより指定される位置に非天然アミノ酸を挿入する。この方法により一体的膜タンパク質のinvivo構造−機能研究が可能になったが、一般にin vitro発現系には応用できない。例えば、蛍光アミノ酸をタキキニンニューロキニン−2受容体に組込んで蛍光共鳴エネルギー移動により距離を測定したり(例えばG.Turcatti,K.Nemeth,M.D.Edgerton,U.Meseth,F.Talabot,M.Peitsch,J.Knowles,H.Vogeland A.Chollet,J.Biol.Chem.,271:19991(1996)参照)、ビオチン化アミノ酸を組込んでイオンチャンネルで表面残基を同定したり(例えばJ.P.Gallivan,H.A.Lesterand D.A.Dougherty,Chem.Biol.,4:739(1997)参照)、ケージドチロシン類似体を使用してイオンチャンネルの共焦点変化をリアルタイムでモニターしたり(例えばJ.C.Miller,S.K.Silverman,P.M.England,D.A.Doughertyand H.A.Lester,Neuron,20:619(1998)参照)、αヒドロキシアミノ酸を使用してイオンチャンネルのバックボーンを改変し、その開閉メカニズムを探索する(例えばP.M.England,Y.Zhang,D.A.Doughertyand H.A.Lester,Cell,96:89(1999);及びT.Lu,A.Y.Ting,J.Mainland,L.Y.Jan,P.G.Schultzand J.Yang,Nat.Neurosci.,4:239(2001)参照)等の方法が挙げられる。 Microinjection methods have also been used to incorporate unnatural amino acids into proteins. For example, M.M. W. Nowak, P.M. C. Kearney, J .; R. Sampson, M .; E. Saks, C.I. G. Labarca, S .; K. Silverman, W.M. G. Zhong, J. et al. Thorson, J .; N. Abelson, N.A. Davidson, P.M. G. Schultz, D.M. A. Doughertyand H.M. A. Lester, Science , 268: 439 (1995); A. Dougherty, Cuur. Opin. Chem. Biol. 4: 645 (2000). Two in vitro-produced RNA species, namely mRNA encoding a target protein having a UAG stop codon at the desired amino acid position and an amber suppressor tRNA aminoacylated with a desired unnatural amino acid are simultaneously injected into Xenopus oocytes. . In this way, the translation mechanism of the oocyte inserts an unnatural amino acid at the position specified by UAG. This method allows in vivo structure-function studies of integral membrane proteins, but is generally not applicable to in vitro expression systems. For example, fluorescent amino acids are incorporated into the tachykinin neurokinin-2 receptor and distances are measured by fluorescence resonance energy transfer (eg, G. Turcatti, K. Nemeth, MD Edgerton, U. Meseth, F. Talabot, M. Peitsch, J. Knowles, H. Vogeland A. Chollet, J. Biol. Chem. , 271: 19991 (1996)) or by incorporating biotinylated amino acids to identify surface residues in ion channels (eg, J. P. Gallivan, H.A. Lesterand D.A. Dougherty, Chem. Biol. , 4: 739 (1997)), monitored confocal changes in ion channels in real time using caged tyrosine analogs. Or For example J.C.Miller, S.K.Silverman, P.M.England, D.A.Doughertyand H.A.Lester , Neuron, 20: 619 (1998) refer), ion channels using α-hydroxy amino acids And search for its opening and closing mechanism (eg, PM England, Y. Zhang, DA Doughertyand HA Lester, Cell , 96:89 (1999); and T. Lu, A Y. Ting, J. Mainland, LY Jan, PG Schultzand J. Yang, Nat. Neurosci. , 4: 239 (2001)).

しかし、マイクロインジェクション法には、例えばサプレッサーtRNAを非天然アミノ酸で化学的にinvitroアミノアシル化しなければならないことや、アシル化tRNAが翻訳中に化学量論的試薬として消費され、再生できないなどの欠点がある。この欠点により、抑圧効率が悪く、タンパク質収率が低いので、電気生理学的測定等の高感度技術で突然変異体タンパク質を定量することが必要である。更に、この方法はマイクロインジェクションが可能な細胞にしか適用できない。 However, the microinjection method has disadvantages such as that suppressor tRNA must be chemically in vitro aminoacylated with an unnatural amino acid, and that acylated tRNA is consumed as a stoichiometric reagent during translation and cannot be regenerated. is there. Due to this drawback, suppression efficiency is poor and protein yield is low, so it is necessary to quantify mutant proteins with sensitive techniques such as electrophysiological measurements. Furthermore, this method can only be applied to cells capable of microinjection.

非天然アミノ酸をタンパク質に直接in vivo組込むことができるならば、突然変異体タンパク質の収率が上がり、技術的に容易であり、細胞や場合によっては生きた生物で突然変異体タンパク質を試験することが可能になり、これらの突然変異体タンパク質を治療処置に使用できる等の利点がある。各種寸法、酸性度、求核性、疎水性等の特性をもつ非天然アミノ酸をタンパク質に組込むことができるならば、タンパク質の構造を合理的且つ体系的に操作し、タンパク質機能を探索すると共に新規特性をもつ新規タンパク質又は生物を創製する可能性が著しく広がる。しかし、タンパク質翻訳の忠実度を高くするために必要なtRNA−シンテターゼ相互作用の複雑な性質によりその方法は困難である。 If unnatural amino acids can be directly incorporated into a protein in vivo, the yield of mutant protein is increased and technically easy to test the mutant protein in cells and possibly living organisms. And has the advantage that these mutant proteins can be used for therapeutic treatment. If unnatural amino acids with various dimensions, acidity, nucleophilicity, hydrophobicity, etc. can be incorporated into proteins, the protein structure will be rationally and systematically manipulated to explore protein functions and new The possibility of creating new proteins or organisms with properties is greatly expanded. However, the method is difficult due to the complex nature of the tRNA-synthetase interaction required to increase the fidelity of protein translation.

従って、細胞の生合成機構をより効率的且つ有効に改変できるように方法を改善することが必要である。以下の開示から自明の通り、本発明はこれらの必要及び他の必要に取組むものである。 Therefore, it is necessary to improve the method so that the biosynthetic mechanism of cells can be modified more efficiently and effectively. As is apparent from the disclosure below, the present invention addresses these and other needs.

本発明は直交tRNA−アミノアシルtRNAシンテターゼ対と前記対の個々の成分を含むタンパク質生合成機構で使用される成分の組成物を提供する。非天然アミノ酸を使用することができる直交tRNA、直交アミノアシルtRNAシンテターゼ及びその対を作製及び選択するための方法も提供する。本発明の組成物は新規直交tRNA−アミノアシルtRNAシンテターゼ対(例えばmutRNATyr−mutTyrRS対、mutRNALeu−mutLeuRS対、mutRNAThr−mutThrRS対、mutRNAGlu−mutGluRS対等)を含む。新規直交対は非天然アミノ酸をポリペプチドにinvivo組込むために使用することができる。本発明の他の態様は直交対の選択を含む。
本発明の組成物は直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)を含み、O−RSは場合によりinvivoでにおいて直交tRNA(O−tRNA)を非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化する。1態様において、O−RSは配列番号4〜34(表5参照)及びその相補的ポリヌクレオチド配列から構成される群から選択されるポリヌクレオチド配列を含む核酸を含む。別の態様において、O−RSは天然アミノ酸(例えば20種の公知アミノ酸の1種)よりも非天然アミノ酸に対して改善又は強化された酵素特性をもち、例えばKmが高いか低く、kcat が高いか低く、kcat /Km が高いか低い等である。
The present invention provides a composition of components for use in protein biosynthesis machinery comprising an orthogonal tRNA-aminoacyl tRNA synthetase pair and the individual components of the pair. Also provided are methods for making and selecting orthogonal tRNAs, orthogonal aminoacyl tRNA synthetases and pairs thereof that can use unnatural amino acids. The compositions of the present invention comprise a novel orthogonal tRNA-aminoacyl tRNA synthetase pair (eg, mutRNATyr-mutTyrRS pair, mutRNALeu-mutLeuRS pair, mutRNAThr-mutThrRS pair, mutRNAGlu-mutGluRS pair, etc.). The novel orthogonal pair can be used to incorporate unnatural amino acids into a polypeptide in vivo. Another aspect of the invention involves the selection of orthogonal pairs.
The compositions of the present invention comprise an orthogonal aminoacyl tRNA synthetase (O-RS), which optionally aminoacylates the orthogonal tRNA (O-tRNA) with an unnatural amino acid, optionally in vivo. In one embodiment, the O-RS comprises a nucleic acid comprising a polynucleotide sequence selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 4-34 (see Table 5) and its complementary polynucleotide sequence. In another embodiment, the O-RS has improved or enhanced enzymatic properties relative to a non-natural amino acid over a natural amino acid (eg, one of the 20 known amino acids), eg, K m is higher or lower and k cat Is high or low, and k cat / K m is high or low.

本発明の非天然アミノ酸は多様な物質を含む。例えば、場合により(限定しないが)、O−メチル−L−チロシン、L−3−(2−ナフチル)アラニン、3−メチルフェニルアラニン、O−4−アリル−L−チロシン、4−プロピル−L−チロシン、トリ−O−アセチル−GlcNAcβ−セリン、L−Dopa、フッ素化フェニルアラニン、イソプロピル−L−フェニルアラニン、p−アジド−L−フェニルアラニン、p−アシル−L−フェニルアラニン、p−ベンゾイル−L−フェニルアラニン、L−ホスホセリン、ホスホノセリン、ホスホノチロシン、p−ヨードフェニルアラニン、p−ブロモフェニルアラニン、p−アミノ−L−フェニルアラニン、及びイソプロピル−L−フェニルアラニン等の分子が挙げられる。更に、他の例としては(限定しないが)チロシンアミノ酸の非天然類似体;グルタミンアミノ酸の非天然類似体;フェニルアラニンアミノ酸の非天然類似体;セリンアミノ酸の非天然類似体;スレオニンアミノ酸の非天然類似体;アルキル、アリール、アシル、アジド、シアノ、ハロ、ヒドラジン、ヒドラジド、ヒドロキシル、アルケニル、アルキニル、エーテル、チオール、スルホニル、セレノ、エステル、チオ酸、硼酸、ボロン酸、ホスホ、ホスホノ、ホスフィン、複素環、エノン、イミン、アルデヒド、ヒドロキシルアミン、ケトもしくはアミノ置換アミノ酸又はその任意組合せ;光架橋基をもつアミノ酸;スピンラベル付きアミノ酸;蛍光アミノ酸:新規官能基をもつアミノ酸;別の分子と共有又は非共有的に相互作用するアミノ酸;金属結合性アミノ酸;金属含有アミノ酸;放射性アミノ酸;フォトケージドアミノ酸;光異性化可能なアミノ酸;ビオチン又はビオチン類似体含有アミノ酸;グリコシル化又は糖鎖修飾アミノ酸;ケト含有アミノ酸;ポリエチレングリコールを含むアミノ酸;ポリエーテルを含むアミノ酸;重原子置換アミノ酸;化学分解性又は光分解性アミノ酸;延長側鎖をもつアミノ酸;毒性基を含むアミノ酸;糖鎖置換アミノ酸(例えば糖鎖置換セリン等);炭素結合糖含有アミノ酸;レドックス活性アミノ酸;α−ヒドロキシ含有酸;アミノチオ酸含有アミノ酸;α,αジ置換アミノ酸;βアミノ酸;及びプロリン以外の環状アミノ酸が挙げられる。 The unnatural amino acids of the present invention include a variety of substances. For example, but not limited to, O-methyl-L-tyrosine, L-3- (2-naphthyl) alanine, 3-methylphenylalanine, O-4-allyl-L-tyrosine, 4-propyl-L- Tyrosine, tri-O-acetyl-GlcNAc β-serine, L-Dopa, fluorinated phenylalanine, isopropyl-L-phenylalanine, p-azido-L-phenylalanine, p-acyl-L-phenylalanine, p-benzoyl-L-phenylalanine, Examples include molecules such as L-phosphoserine, phosphonoserine, phosphonotyrosine, p-iodophenylalanine, p-bromophenylalanine, p-amino-L-phenylalanine, and isopropyl-L-phenylalanine. Further examples include (but are not limited to) non-natural analogs of tyrosine amino acids; non-natural analogs of glutamine amino acids; non-natural analogs of phenylalanine amino acids; non-natural analogs of serine amino acids; non-natural analogs of threonine amino acids Body; alkyl, aryl, acyl, azide, cyano, halo, hydrazine, hydrazide, hydroxyl, alkenyl, alkynyl, ether, thiol, sulfonyl, seleno, ester, thioacid, boric acid, boronic acid, phospho, phosphono, phosphine, heterocycle , Enones, imines, aldehydes, hydroxylamines, keto or amino substituted amino acids or any combination thereof; amino acids with photocrosslinking groups; amino acids with spin labels; fluorescent amino acids: amino acids with novel functional groups; shared or non-shared with another molecule Interacting amino acids Metal-binding amino acids; Metal-containing amino acids; Radioactive amino acids; Photo-caged amino acids; Photoisomerizable amino acids; Biotin or biotin analog-containing amino acids; Glycosylated or sugar chain-modified amino acids; Keto-containing amino acids; Amino acids containing ethers; heavy atom-substituted amino acids; chemically or photodegradable amino acids; amino acids having extended side chains; amino acids containing toxic groups; sugar-substituted amino acids (eg, sugar-substituted serines); Redox active amino acids; alpha-hydroxy containing acids; aminothioic acid containing amino acids; alpha, alpha disubstituted amino acids; beta amino acids; and cyclic amino acids other than proline.

本発明は配列番号4〜34(配列については表5参照)から選択されるコーディングポリヌクレオチド配列、配列番号35〜66から選択されるポリペプチドをコードするコーディングポリヌクレオチド配列、前記ポリヌクレオチド配列の実質的に全長にわたって高ストリンジェント条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチド配列、及び前記配列の任意のものの相補的配列から選択されるコーディングポリヌクレオチド配列によりコードされるアミノ酸配列を含むポリペプチドも含む。更に、前記ポリペプチドは場合により直交アミノアシルtRNAシンテターゼ及び/又は配列番号35〜66から選択されるアミノ酸配列をコードする。 The present invention relates to a coding polynucleotide sequence selected from SEQ ID NOs: 4-34 (see Table 5 for sequences), a coding polynucleotide sequence encoding a polypeptide selected from SEQ ID NOs: 35-66, a substance of said polynucleotide sequence Also specifically included are polynucleotide sequences that hybridize under high stringency conditions over their entire length, and polypeptides comprising an amino acid sequence encoded by a coding polynucleotide sequence selected from the complementary sequence of any of the foregoing sequences. Further, the polypeptide optionally encodes an amino acid sequence selected from orthogonal aminoacyl tRNA synthetases and / or SEQ ID NOs: 35-66.

本発明は配列番号1〜3から選択されるポリヌクレオチド配列(又はその相補的ポリヌクレオチド配列)、及び前記ポリヌクレオチド配列の実質的に全長にわたって高ストリンジェント条件下でハイブリダイズするポリヌクレオチド配列から構成される群から選択されるポリヌクレオチド配列を含む核酸も含む。前記核酸はポリヌクレオチド配列が直交tRNAを含むか及び/又はポリヌクレオチド配列が(場合により配列番号35〜66の配列をもつものから選択される)直交アミノアシルtRNAシンテターゼと相補対を形成する態様も含む。 The present invention comprises a polynucleotide sequence selected from SEQ ID NOs: 1 to 3 (or its complementary polynucleotide sequence) and a polynucleotide sequence that hybridizes under high stringency conditions over substantially the entire length of the polynucleotide sequence. Also included are nucleic acids comprising a polynucleotide sequence selected from the group consisting of: The nucleic acid also includes embodiments wherein the polynucleotide sequence comprises an orthogonal tRNA and / or the polynucleotide sequence forms a complementary pair with an orthogonal aminoacyl tRNA synthetase (optionally selected from those having the sequences of SEQ ID NOs: 35-66). .

本発明は直交tRNA(O−tRNA)の組成物も含み、O−tRNAはセレクターコドンを認識し、O−tRNAは直交アミノアシルtRNAシンテターゼにより非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化される。1態様では、O−tRNAは配列番号1〜3(表5参照)及びその相補的ポリヌクレオチド配列から構成される群から選択されるポリヌクレオチド配列を含む核酸を含む。 The invention also includes compositions of orthogonal tRNA (O-tRNA), where the O-tRNA recognizes a selector codon and the O-tRNA is preferentially aminoacylated with an unnatural amino acid by an orthogonal aminoacyl tRNA synthetase. In one aspect, the O-tRNA comprises a nucleic acid comprising a polynucleotide sequence selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 1-3 (see Table 5) and its complementary polynucleotide sequence.

本発明のセレクターコドンはタンパク質生合成機構の遺伝コドン枠を拡張する。例えば、セレクターコドンとしては例えば(天然又は非天然塩基から構成される)ユニーク3塩基コドン、ナンセンスコドン(例えばアンバーコドン又はオパールコドン等の終止コドン)、非天然コドン、レアコドン、少なくとも4塩基を含むコドン、少なくとも5塩基を含むコドン、少なくとも6塩基を含むコドン等が挙げられる。 The selector codon of the present invention extends the genetic codon frame of the protein biosynthesis machinery. For example, as a selector codon, for example, a unique 3-base codon (composed of natural or non-natural bases), a nonsense codon (for example, a stop codon such as an amber codon or an opal codon), a non-natural codon, a rare codon, a codon including at least 4 bases , Codons containing at least 5 bases, codons containing at least 6 bases, and the like.

1態様において、O−tRNAは(場合により組成物内に)直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)を含むことができ、例えばO−tRNAとO−RSは相補的である(例えばO−tRNA/O−RS対)。1態様において、対は例えばmutRNATyr−mutTyrRS対(例えばmutRNATyr−SS12TyrRS対)、mutRNALeu−mutLeuRS対、mutRNAThr−mutThrRS対、mutRNAGlu−mutGluRS対等を含む。別の態様において、対は大腸菌由来mutRNAGln−mutGlnRS、酵母由来mutRNAAsp−mutAspRS又は酵母由来mutRNAPheCUA−mutPheRS以外のものであり、これらの対は本発明の対の特性をもたない。 In one embodiment, the O-tRNA can comprise an orthogonal aminoacyl tRNA synthetase (O-RS) (optionally in the composition), eg, the O-tRNA and the O-RS are complementary (eg, O-tRNA / O-RS pair). In one embodiment, the pair includes, for example, a mutRNATyr-mutTyrRS pair (eg, a mutRNATyr-SS12TyrRS pair), a mutRNALeu-mutLeuRS pair, a mutRNAThr-mutThrRS pair, a mutRNAGlu-mutGluRS pair, and the like. In another embodiment, the pair is other than E. coli-derived mutRNAGln-mutGlnRS, yeast-derived mutRNAAsp-mutAspRS or yeast-derived mutRNAPheCUA-mutPheRS, and these pairs do not have the characteristics of the pairs of the present invention.

O−tRNAとO−RSは多様な生物に由来する天然tRNA及びRSの突然変異により誘導することができる。1態様では、O−tRNAとO−RSは少なくとも1種の生物に由来し、生物は例えばMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Halobacterium、Escherichiacoli、A.fulgidus、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix、T.thermophilus等の原核生物である。場合により、生物は例えば植物(例えば単子葉植物又は双子葉植物等の複雑な植物)、藻類、真菌類(例えば酵母等)、動物(例えば哺乳動物、昆虫、節足動物等)、昆虫、原生生物等の真核生物である。場合により、O−tRNAは第1の生物に由来する天然tRNAの突然変異により誘導され、O−RSは第2の生物に由来する天然RSの突然変異により誘導される。1態様では、O−tRNAとO−RSは突然変異tRNAと突然変異RSから誘導することができる。 O-tRNA and O-RS can be induced by mutation of natural tRNA and RS derived from various organisms. In one aspect, the O-tRNA and the O-RS are derived from at least one organism, for example, Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum, Halobacterium, Escherichia coli, A. et al. fulgidus, P.A. furiosus, P.M. horikoshii, A.H. pernix, T .; It is a prokaryotic organism such as thermophilus. In some cases, organisms are, for example, plants (eg complex plants such as monocotyledonous plants or dicotyledonous plants), algae, fungi (eg yeast), animals (eg mammals, insects, arthropods etc.), insects, protozoa It is a eukaryote such as a living organism. In some cases, the O-tRNA is induced by mutation of a natural tRNA derived from a first organism and the O-RS is induced by a mutation of a natural RS derived from a second organism. In one aspect, O-tRNA and O-RS can be derived from mutant tRNA and mutant RS.

O−tRNAとO−RSは場合により多様な生物から単離することもできる。1態様では、O−tRNAとO−RSは少なくとも1種の生物から単離され、生物は例えばMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Halobacterium、Escherichiacoli、A.fulgidus、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix、T.thermophilus等の原核生物である。場合により、生物は例えば植物(例えば単子葉植物又は双子葉植物等の複雑な植物)、藻類、真菌類(例えば酵母等)、動物(例えば哺乳動物、昆虫、節足動物等)、昆虫、原生生物等の真核生物である。場合により、O−tRNAは第1の生物に由来する天然tRNAから単離され、O−RSは第2の生物に由来する天然RSから単離される。1態様では、O−tRNAとO−RSは(場合により(原核生物及び/又は真核生物を含む)1種以上の生物に由来する1種以上のO−tRNA及び/又はO−RSを含む)1種以上のライブラリーから単離することができる。 O-tRNA and O-RS can optionally be isolated from various organisms. In one aspect, the O-tRNA and O-RS are isolated from at least one organism, such as Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum, Halobacterium, Escherichia coli, A. et al. fulgidus, P.A. furiosus, P.M. horikoshii, A.H. pernix, T .; It is a prokaryotic organism such as thermophilus. In some cases, organisms are, for example, plants (eg complex plants such as monocotyledonous plants or dicotyledonous plants), algae, fungi (eg yeast), animals (eg mammals, insects, arthropods etc.), insects, protozoa It is a eukaryote such as a living organism. Optionally, the O-tRNA is isolated from a natural tRNA derived from a first organism and the O-RS is isolated from a natural RS derived from a second organism. In one embodiment, the O-tRNA and O-RS optionally comprise one or more O-tRNA and / or O-RS derived from one or more organisms (including prokaryotes and / or eukaryotes). ) Can be isolated from one or more libraries.

別の側面では、本発明の組成物は細胞に組込むことができる。場合により、本発明の組成物はinvitro翻訳系に組込むことができる。 In another aspect, the compositions of the present invention can be incorporated into cells. In some cases, the compositions of the invention can be incorporated into in vitro translation systems.

本発明は非天然アミノ酸を組込むために使用することができるタンパク質生合成機構の成分(例えばO−RS、O−tRNA及び直交O−tRNA/O−RS対)の作製方法も提供する。生物のinvivo翻訳系で使用する直交tRNA−tRNAシンテターゼ対の選択方法も提供する。前記方法で使用する非天然アミノ酸とセレクターコドンについては上記及び下記に記載する。 The present invention also provides methods for making components of protein biosynthetic machinery (eg, O-RS, O-tRNA and orthogonal O-tRNA / O-RS pairs) that can be used to incorporate unnatural amino acids. Also provided are methods for selecting orthogonal tRNA-tRNA synthetase pairs for use in an in vivo translation system of an organism. The unnatural amino acids and selector codons used in the method are described above and below.

少なくとも1種の組換え直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)の生産方法は、(a)第1の生物(例えばMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Halobacterium、Escherichiacoli、A.fulgidus、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix、T.thermophilus等の原核生物)に由来する少なくとも1種のアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)から誘導される(場合により突然変異体)RSのライブラリーを作製する段階と、(b)非天然アミノ酸と天然アミノ酸の存在下に直交tRNA(O−tRNA)をアミノアシル化するメンバーをRS(場合により突然変異体RS)のライブラリーから選択(及び/又はスクリーニング)することにより活性(場合により突然変異体)RSのプールを提供する段階と、及び/又は(c)非天然アミノ酸の不在下にO−tRNAを優先的にアミノアシル化する活性RS(例えば突然変異体RS)のプールを(場合によりネガティブ選択により)選択することにより、O−tRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化する少なくとも1種の組換えO−RSを提供する段階を含む。前記方法により生産された組換えO−RSも本発明に含まれる。 A method for producing at least one recombinant orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase (O-RS) is described in (a) a first organism (eg, Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotrophicum, Halobacterium, ur. Ur. Creating a library of RSs (optionally mutated) derived from at least one aminoacyl-tRNA synthetase (RS) from A. pernix, T. thermophilus, etc. (b) non- A member that aminoacylates an orthogonal tRNA (O-tRNA) in the presence of the natural amino acid and the natural amino acid is RS ( Providing a pool of active (optionally mutant) RS by optionally selecting (and / or screening) from a library of mutant RS) and / or (c) in the absence of unnatural amino acids. Selecting a pool of active RSs (eg, mutant RS) that preferentially aminoacylate the O-tRNA (optionally by negative selection) to at least preferentially aminoacylate the O-tRNA with an unnatural amino acid. Providing one recombinant O-RS. Recombinant O-RS produced by the above method is also included in the present invention.

1態様では、RSは不活性RSである。不活性RSは活性RSを突然変異させることにより作製することができる。例えば、不活性RSは少なくとも約1、少なくとも約2、少なくとも約3、少なくとも約4、少なくとも約5、少なくとも約6、又は少なくとも約10個以上のアミノ酸を別のアミノ酸(例えばアラニン)に突然変異させることにより作製することができる。 In one aspect, the RS is an inactive RS. Inactive RSs can be generated by mutating active RSs. For example, an inactive RS mutates at least about 1, at least about 2, at least about 3, at least about 4, at least about 5, at least about 6, or at least about 10 or more amino acids to another amino acid (eg, alanine). Can be produced.

突然変異体RSのライブラリーは当分野で公知の種々の突然変異誘発技術を使用して作製することができる。例えば、突然変異体RSは部位特異的突然変異、ランダム突然変異、多様性を生じる組換え突然変異、キメラ構築物及び本明細書に記載するか又は当分野で公知の他の方法により作製することができる。 A library of mutant RSs can be generated using various mutagenesis techniques known in the art. For example, mutant RSs can be made by site-specific mutations, random mutations, recombinant mutations that produce diversity, chimeric constructs, and other methods described herein or known in the art. it can.

1態様では、非天然アミノ酸と天然アミノ酸の存在下に活性なメンバー(例えば直交tRNA(O−tRNA)をアミノアシル化するメンバー)をRS(場合により突然変異体RS)のライブラリーから選択(及び/又はスクリーニング)する段階は、少なくとも1個のセレクターコドン(例えばアンバー、オーカー又はオパールコドン)を含むポジティブ選択又はスクリーニングマーカー(例えば抗生物質耐性遺伝子等)と(場合により突然変異体)RSのライブラリーを複数の細胞に導入し、選択物質の存在下に複数の細胞を増殖させ、ポジティブ選択又はスクリーニングマーカー中で少なくとも1個のセレクターコドンを抑圧することにより選択及び/又はスクリーニング物質の存在下に生存する(か又は特異的応答を示す)細胞を同定し、活性(場合により突然変異体)RSのプールを含むポジティブ選択済み細胞のサブセットを提供することを含む。場合により、選択及び/又はスクリーニング物質濃度を変動させてもよい。 In one embodiment, an active member (eg, a member that aminoacylates an orthogonal tRNA (O-tRNA)) in the presence of an unnatural amino acid and a natural amino acid is selected from a library of RS (and optionally mutant RS) (and / or Or screening) a library of RS with a positive selection or screening marker (such as an antibiotic resistance gene) including at least one selector codon (such as an amber, ocher or opal codon) and (optionally a mutant). Introduce into multiple cells, grow multiple cells in the presence of a selection agent, and survive in the presence of selection and / or screening agent by suppressing at least one selector codon in a positive selection or screening marker Cells (or show a specific response) And includes providing a subset of positively selected cells that contains the pool of RS (optionally mutant) activity. In some cases, the selection and / or screening agent concentration may be varied.

1側面では、ポジティブ選択マーカーはクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子であり、少なくとも1個のセレクターコドンはCAT遺伝子内のアンバー終止コドンである。場合により、ポジティブ選択マーカーはβラクタマーゼ遺伝子であり、少なくとも1個のセレクターコドンはβラクタマーゼ遺伝子内のアンバー終止コドンである。別の側面では、ポジティブスクリーニングマーカーは蛍光もしくは発光スクリーニングマーカー又は親和性に基づくスクリーニングマーカー(例えば細胞表面マーカー)を含む。 In one aspect, the positive selectable marker is a chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene and at least one selector codon is an amber stop codon within the CAT gene. In some cases, the positive selectable marker is a β-lactamase gene and at least one selector codon is an amber stop codon within the β-lactamase gene. In another aspect, positive screening markers include fluorescent or luminescent screening markers or affinity-based screening markers (eg, cell surface markers).

1態様では、非天然アミノ酸の不在下にO−tRNAを優先的にアミノアシル化する活性RS(場合により突然変異体)のプールをネガティブ選択又はスクリーニングする段階は、少なくとも1個のセレクターコドンを含むネガティブ選択又はスクリーニングマーカー(例えば抗生物質耐性遺伝子、例えばクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子)をポジティブ選択又はスクリーニングからの活性(場合により突然変異体)RSのプールと共に第2の生物の複数の細胞に導入し、非天然アミノ酸と選択又はスクリーニング物質を加えた第1の培地で生存するか又は特異的スクリーニング応答を示すが、非天然アミノ酸と選択又はスクリーニング物質を加えない第2の培地では生存するか又は特異的応答を示すことができない細胞を同定することにより、少なくとも1種の組換えO−RSをもつ生存細胞又はスクリーニング済み細胞を提供することを含む。例えば、ポジティブ選択及び/又はネガティブスクリーニングとして場合によりCAT同定プロトコールを使用して適当な組換えO−RSを決定する。例えば、場合により1種以上の非天然アミノ酸の存在下又は不在下に(少なくとも1個のセレクターコドンを含む)CATを加えた増殖プレートでクローンのプールを複製する。こうして、非天然アミノ酸を加えたプレートでしか増殖しないコロニーが組換えO−RSを含むとみなす。1側面では、選択(及び/又はスクリーニング)物質濃度を変動させる。所定側面では、第1の生物と第2の生物は異なる。即ち、第1及び/又は第2の生物は場合により原核生物、真核生物、哺乳動物、大腸菌、真菌、酵母、始原菌、真正細菌、植物、昆虫、原生生物等を含む。別の態様では、スクリーニングマーカーは蛍光もしくは発光スクリーニングマーカー又は親和性に基づくスクリーニングマーカーを含む。 In one embodiment, negatively selecting or screening a pool of active RS (optionally mutant) that preferentially aminoacylates an O-tRNA in the absence of an unnatural amino acid comprises a negative comprising at least one selector codon. Selective or screening markers (eg, antibiotic resistance genes such as chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene) multiple cells of a second organism with a pool of activities (optionally mutants) RS from positive selection or screening In a first medium that has been introduced into and added with a non-natural amino acid and a selection or screening substance, or exhibits a specific screening response, but survives in a second medium without the addition of a non-natural amino acid and a selection or screening substance. Or show a specific response The identification of cells that can not, thereby providing surviving cells or screened cells with the at least one recombinant O-RS. For example, an appropriate recombinant O-RS is determined, optionally using a CAT identification protocol as a positive selection and / or negative screen. For example, a pool of clones is replicated on a growth plate supplemented with CAT (including at least one selector codon), optionally in the presence or absence of one or more unnatural amino acids. Thus, colonies that grow only on plates supplemented with unnatural amino acids are considered to contain recombinant O-RS. In one aspect, the selected (and / or screening) substance concentration is varied. In certain aspects, the first organism and the second organism are different. That is, the first and / or second organisms optionally include prokaryotes, eukaryotes, mammals, E. coli, fungi, yeasts, protozoa, eubacteria, plants, insects, protists, and the like. In another aspect, the screening marker comprises a fluorescent or luminescent screening marker or an affinity based screening marker.

別の態様では、活性(場合により突然変異体)RSのプールをスクリーニング又は選択(例えばネガティブ選択)する段階は、ポジティブ選択段階(b)からの活性突然変異体RSのプールを単離し、少なくとも1個のセレクターコドンを含むネガティブ選択又はスクリーニングマーカー(例えば少なくとも1個のセレクターコドンを含む毒性マーカー遺伝子、例えばリボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子)と活性(場合により突然変異体)RSのプールを第2の生物の複数の細胞に導入し、非天然アミノ酸を加えない第1の培地で生存するか又は特異的スクリーニング応答を示すが、非天然アミノ酸を加えた第2の培地では生存するか又は特異的スクリーニング応答を示すことができない細胞を同定し、非天然アミノ酸に特異的な少なくとも1種の組換えO−RSをもつ生存又はスクリーニング済み細胞を提供することを含む。1側面では、少なくとも1個のセレクターコドンは約2個以上のセレクターコドンを含む。このような態様は場合により、少なくとも1個のセレクターコドンが2個以上のセレクターコドンを含み、第1の生物と第2の生物が異なる(例えば各生物が場合により例えば原核生物、真核生物、哺乳動物、大腸菌、真菌、酵母、始原菌、真正細菌、植物、昆虫、原生生物等である)態様を含むことができる。更に、所定側面では、ネガティブ選択マーカーは(少なくとも1個のセレクターコドンを含む)リボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子を含む。他の側面では、スクリーニングマーカーは場合により蛍光もしくは発光スクリーニングマーカー又は親和性に基づくスクリーニングマーカーを含む。本明細書に記載する態様では、スクリーニング及び/又は選択は場合によりスクリーニング及び/又は選択ストリンジェンシーの変動を含む。 In another aspect, screening or selecting (eg, negative selection) a pool of active (optionally mutant) RSs isolates the pool of active mutant RSs from positive selection step (b) and at least 1 A pool of negative selection or screening markers containing one selector codon (eg, a toxic marker gene containing at least one selector codon, eg, a ribonuclease barnase gene) and an active (optionally mutant) RS of a second organism In a first medium that does not contain an unnatural amino acid and survives or exhibits a specific screening response, but survives or exhibits a specific screening response in a second medium with an unnatural amino acid. Identify cells that cannot and at least be specific for unnatural amino acids Thereby providing surviving or screened cells with the seeds of the recombinant O-RS. In one aspect, the at least one selector codon includes about 2 or more selector codons. In such an embodiment, optionally, at least one selector codon includes two or more selector codons, and the first and second organisms are different (eg, each organism is optionally a prokaryote, eukaryote, Mammals, E. coli, fungi, yeast, protozoa, eubacteria, plants, insects, protists, etc.). Further, in certain aspects, the negative selectable marker comprises a ribonuclease barnase gene (including at least one selector codon). In other aspects, screening markers optionally include fluorescent or luminescent screening markers or affinity based screening markers. In the embodiments described herein, screening and / or selection optionally includes variation of screening and / or selection stringency.

1態様では、少なくとも1種の組換え直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)の生産方法は更に、(d)少なくとも1種の組換えO−RSを単離する段階と、(e)少なくとも1種の組換えO−RSから誘導される第2組の(場合により突然変異)O−RSを作製する段階と、(f)O−tRNAを優先的にアミノアシル化することが可能な突然変異O−RSが得られるまで段階(b)及び(c)を反復する段階を含む。場合により、段階(d)〜(f)を例えば少なくとも約2回反復する。1側面では、少なくとも1種の組換えO−RSから誘導される第2組の突然変異O−RSは突然変異誘発(例えばランダム突然変異誘発、部位特異的突然変異誘発、組換え又はその任意組合せ)により作製することができる。 In one aspect, the method of producing at least one recombinant orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase (O-RS) further comprises (d) isolating at least one recombinant O-RS; and (e) at least one Generating a second set of (optionally mutated) O-RSs derived from the recombinant O-RS of (f), and (f) a mutant O- capable of preferentially aminoacylating the O-tRNA. Repeating steps (b) and (c) until RS is obtained. Optionally, steps (d)-(f) are repeated, for example at least about 2 times. In one aspect, a second set of mutant O-RS derived from at least one recombinant O-RS is mutagenized (eg, random mutagenesis, site-directed mutagenesis, recombination or any combination thereof). ).

上記方法における選択/スクリーニング段階(例えばポジティブ選択/スクリーニング段階(b)、ネガティブ選択/スクリーニング段階(c)又はポジティブ及びネガティブ選択/スクリーニング段階(b)及び(c)の両方)は、場合により選択/スクリーニングストリンジェンシーの変動を含む。別の態様では、ポジティブ選択/スクリーニング段階(b)、ネガティブ選択/スクリーニング段階(c)又はポジティブ及びネガティブ選択/スクリーニング段階(b)及び(c)の両方はレポーターの使用を含み、レポーターは蛍光活性化細胞ソーティング(FACS)により検出されるか又はレポーターは発光により検出される。場合により、レポーターは細胞表面、ファージディスプレイ等に提示され、非天然アミノ酸又は類似体に対する親和性又は触媒活性に基づいて選択される。1態様では、突然変異シンテーゼは細胞表面、ファージディスプレイ等に提示される。 The selection / screening step (eg positive selection / screening step (b), negative selection / screening step (c) or both positive and negative selection / screening steps (b) and (c)) in the above method is optionally selected / Includes variation in screening stringency. In another embodiment, the positive selection / screening step (b), negative selection / screening step (c) or both positive and negative selection / screening steps (b) and (c) comprise the use of a reporter, the reporter comprising fluorescent activity Detected by cell sorting (FACS) or the reporter is detected by luminescence. Optionally, the reporter is displayed on the cell surface, phage display, etc., and is selected based on affinity or catalytic activity for the unnatural amino acid or analog. In one embodiment, the mutant synthase is displayed on the cell surface, phage display, and the like.

本明細書に記載する方法は場合により非天然アミノ酸がO−メチル−L−チロシン、L−3−(2−ナフチル)アラニン、3−メチルフェニルアラニン、O−4−アリル−L−チロシン、4−プロピル−L−チロシン、トリ−O−アセチル−GlcNAcβ−セリン、L−Dopa、フッ素化フェニルアラニン、イソプロピル−L−フェニルアラニン、p−アジド−L−フェニルアラニン、p−アシル−L−フェニルアラニン、p−ベンゾイル−L−フェニルアラニン、L−ホスホセリン、ホスホノセリン、ホスホノチロシン、p−ヨードフェニルアラニン、p−ブロモフェニルアラニン、p−アミノ−L−フェニルアラニン、及びイソプロピル−L−フェニルアラニンから選択される態様を含む。本明細書に記載する方法により生産された組換えO−RSも本発明に含まれる。 In the methods described herein, optionally the unnatural amino acid is O-methyl-L-tyrosine, L-3- (2-naphthyl) alanine, 3-methylphenylalanine, O-4-allyl-L-tyrosine, 4- Propyl-L-tyrosine, tri-O-acetyl-GlcNAcβ-serine, L-Dopa, fluorinated phenylalanine, isopropyl-L-phenylalanine, p-azido-L-phenylalanine, p-acyl-L-phenylalanine, p-benzoyl- Including embodiments selected from L-phenylalanine, L-phosphoserine, phosphonoserine, phosphonotyrosine, p-iodophenylalanine, p-bromophenylalanine, p-amino-L-phenylalanine, and isopropyl-L-phenylalanine. Also included in the present invention are recombinant O-RSs produced by the methods described herein.

組換え直交tRNA(O−tRNA)の生産方法は、(a)第1の生物に由来する少なくとも1種のtRNA(例えばサプレッサーtRNA)から誘導される突然変異体tRNAのライブラリーを作製する段階と、(b)第1の生物に由来するRSの不在下に第2の生物に由来するアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)によりアミノアシル化される(場合により突然変異体)tRNAのライブラリーを選択(例えばネガティブ選択)又はスクリーニングすることによりtRNA(場合により突然変異体)のプールを提供する段階と、(c)導入した直交RS(O−RS)によりアミノアシル化されるメンバーをtRNA(場合により突然変異体)のプールから選択又はスクリーニングすることにより、少なくとも1個のセレクターコドンを認識し、第2の生物に由来するRSにより効率的に認識されず、O−RSにより優先的にアミノアシル化される少なくとも1種の組換えO−tRNAを提供する段階を含む。所定態様では、少なくとも1種のtRNAはサプレッサーtRNAであり、及び/又は天然もしくは非天然塩基のユニーク3塩基コドン、ナンセンスコドン、レアコドン、非天然コドン、少なくとも4塩基を含むコドン、アンバーコドン、オーカーコドン又はオパール終止コドンを含む。1態様では、組換えO−tRNAは改善された直交性をもつ。当然のことながら、所定態様ではO−tRNAは場合により改変の必要なしに第1の生物から第2の生物に導入される。各種態様において、第1の生物と第2の生物は同一又は異なり、場合により原核生物(例えばMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Escherichiacoli、Halobacterium等)、真核生物、哺乳動物、真菌、酵母、始原菌、真正細菌、植物、昆虫、原生生物等から選択される。更に、組換えtRNAは場合により非天然アミノ酸によりアミノアシル化され、非天然アミノ酸は天然又は遺伝子操作によりinvivo生合成される。非天然アミノ酸は場合により少なくとも第1又は第2の生物の増殖培地に添加する。 A method for producing recombinant orthogonal tRNA (O-tRNA) comprises: (a) creating a library of mutant tRNAs derived from at least one tRNA (eg, suppressor tRNA) derived from a first organism; (B) selecting a library of tRNAs that are aminoacylated (optionally mutant) by aminoacyl tRNA synthetase (RS) from a second organism in the absence of RS from the first organism (eg, negative) Selection) or screening to provide a pool of tRNAs (optionally mutants), and (c) tRNAs (optionally mutants) that are aminoacylated by the introduced orthogonal RS (O-RS). At least one selector code by selecting or screening from a pool of It recognizes, comprising the step of providing at least one recombinant O-tRNA is not efficiency recognized by the RS from the second organism and is preferentially aminoacylated by the O-RS. In certain embodiments, the at least one tRNA is a suppressor tRNA and / or a unique 3 base codon of natural or unnatural base, nonsense codon, rare codon, non-natural codon, codon comprising at least 4 bases, amber codon, ocher codon Or an opal stop codon. In one aspect, the recombinant O-tRNA has improved orthogonality. Of course, in certain embodiments, the O-tRNA is optionally introduced from the first organism into the second organism without the need for modification. In various embodiments, the first organism and the second organism are the same or different and optionally a prokaryote (e.g., Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum, Escherichia coli, Halobacterium, eukaryote, eubacteria, fungus, yeast, Selected from bacteria, plants, insects, protists, etc. Furthermore, the recombinant tRNA is optionally aminoacylated with an unnatural amino acid, which is naturally or genetically engineered in vivo. The unnatural amino acid is optionally added to the growth medium of at least the first or second organism.

1側面では、アミノアシルtRNAシンテターゼによりアミノアシル化される(場合により突然変異体)tRNAのライブラリーを選択(例えばネガティブ選択)又はスクリーニングする段階(段階(b))は、少なくとも1個のセレクターコドンを含む毒性マーカー遺伝子(又は毒性もしくは静的物質の生産を誘導する遺伝子又は生物に必須の遺伝子であって、少なくとも1個のセレクターコドンを含む遺伝子)と(場合により突然変異体)tRNAのライブラリーを第2の生物に由来する複数の細胞に導入し、少なくとも1種の直交tRNA又は非機能的tRNAを含む(場合により突然変異体)tRNAのプールを含む生存細胞を選択することを含む。例えば、生存細胞は比較比細胞密度アッセイを使用することにより選択することができる。 In one aspect, selecting (eg, negative selection) or screening a library of tRNAs that are aminoacylated (optionally mutant) by an aminoacyl tRNA synthetase (step (b)) comprises at least one selector codon. A library of tRNAs with a toxic marker gene (or a gene that induces the production of toxic or static substances or a gene that is essential to an organism and contains at least one selector codon) and (optionally a mutant) Introducing into a plurality of cells from two organisms and selecting viable cells comprising a pool of tRNAs comprising at least one orthogonal or non-functional tRNA (optionally mutant). For example, viable cells can be selected by using a comparative specific cell density assay.

別の側面では、毒性マーカー遺伝子は2個以上のセレクターコドンを含むことができる。前記方法の別の態様では、毒性マーカー遺伝子はリボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子であり、リボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子は少なくとも1種のアンバーコドンを含む。場合により、リボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子は2種以上のアンバーコドンを含むことができる。 In another aspect, the toxicity marker gene can include two or more selector codons. In another embodiment of the method, the toxicity marker gene is a ribonuclease barnase gene, and the ribonuclease barnase gene comprises at least one amber codon. Optionally, the ribonuclease barnase gene can include more than one amber codon.

1態様では、導入した直交RS(O−RS)によりアミノアシル化されるメンバーを(場合により突然変異体)tRNAのプールから選択又はスクリーニングする段階は、薬剤耐性遺伝子(例えば少なくとも1個のセレクターコドン(例えば少なくとも1個のアンバーコドン)を含むβラクタマーゼ遺伝子)又は生物に必須の遺伝子又は毒性物質の解毒を誘導する遺伝子を含むポジティブ選択又はスクリーニングマーカー遺伝子と、O−RSと、(場合により突然変異体)tRNAのプールを第2の生物に由来する複数の細胞に導入し、選択又はスクリーニング物質(例えば抗生物質)の存在下に増殖した生存又はスクリーニング済み細胞を同定することにより、O−RSによりアミノアシル化され、少なくとも1個のセレクターコドンに応答してポジティブマーカー遺伝子によりコードされる翻訳産物にアミノ酸を挿入する少なくとも1種の組換えtRNAをもつ細胞プールを提供することを含む。別の態様では、選択及び/又はスクリーニング物質濃度を変動させる。本発明の方法により生産された組換えO−tRNAも本発明に含まれる。 In one aspect, selecting or screening a member (optionally mutant) tRNA from a pool of tRNAs that is aminoacylated by an introduced orthogonal RS (O-RS) comprises a drug resistance gene (eg, at least one selector codon ( A positive selection or screening marker gene comprising, for example, a β-lactamase gene comprising at least one amber codon) or a gene essential for an organism or a gene that induces detoxification of a toxic substance, O-RS, and optionally a mutant ) Aminoacyl by O-RS by introducing a pool of tRNAs into a plurality of cells from a second organism and identifying viable or screened cells that have grown in the presence of a selection or screening agent (eg, antibiotic) Responds to at least one selector codon And it includes providing a cell pools with at least one recombinant tRNA inserts an amino acid into a translation product encoded by the positive marker gene. In another aspect, the selection and / or screening agent concentration is varied. Recombinant O-tRNA produced by the method of the present invention is also included in the present invention.

特異的O−tRNA/O−RS対の生産方法も提供する。本方法は、(a)第1の生物に由来する少なくとも1種のtRNAから誘導されるtRNAのライブラリーを作製する段階と、(b)第1の生物に由来するRSの不在下で第2の生物に由来するアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)によりアミノアシル化される(場合により突然変異体)tRNAのライブラリーをネガティブ選択又はスクリーニングすることにより、(場合により突然変異体)tRNAのプールを提供する段階と、(c)導入した直交RS(O−RS)によりアミノアシル化されるメンバーを(場合により突然変異体)tRNAのプールから選択又はスクリーニングすることにより、少なくとも1種の組換えO−tRNAを提供する段階を含む。少なくとも1種の組換えO−tRNAはセレクターコドンを認識し、第2の生物に由来するRSにより効率的に認識されず、O−RSにより優先的にアミノアシル化される。本方法は更に、(d)第3の生物に由来する少なくとも1種のアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)から誘導される(場合により突然変異体)RSのライブラリーを作製する段階と、(e)非天然アミノ酸と天然アミノ酸の存在下に少なくとも1種の組換えO−tRNAを優先的にアミノアシル化するメンバーを突然変異体RSのライブラリーから選択又はスクリーニングすることにより、活性(場合により突然変異体)RSのプールを提供する段階と、(f)非天然アミノ酸の不在下に少なくとも1種の組換えO−tRNAを優先的にアミノアシル化する活性(場合により突然変異体)RSのプールをネガティブ選択又はスクリーニングすることにより、非天然アミノ酸に特異的な少なくとも1種の組換えO−RSと少なくとも1種の組換えO−tRNAを含む少なくとも1種の特異的O−tRNA/O−RS対を提供する段階を含む。前記方法により生産された特異的O−tRNA/O−RS対も本発明に含まれる。例えば、特異的O−tRNA/O−RS対としては、例えばmutRNATyr−mutTyrRS対(例えばmutRNATyr−SS12TyrRS対)、mutRNALeu−mutLeuRS対、mutRNAThr−mutThrRS対、mutRNAGlu−mutGluRS対等を挙げることができる。更に、前記方法は第1の生物と第3の生物が同一である(例えばMethanococcusjannaschii)場合を含む。 Also provided are methods for producing specific O-tRNA / O-RS pairs. The method comprises (a) generating a library of tRNAs derived from at least one tRNA derived from a first organism, and (b) a second in the absence of RS derived from the first organism. Providing a pool of (optionally mutant) tRNAs by negatively selecting or screening a library of (optionally mutant) tRNAs that are aminoacylated by aminoacyl tRNA synthetase (RS) from And (c) providing at least one recombinant O-tRNA by selecting or screening a member (optionally a mutant) that is aminoacylated by the introduced orthogonal RS (O-RS) from a pool of tRNAs Including the steps of: At least one recombinant O-tRNA recognizes the selector codon, is not efficiently recognized by the RS from the second organism, and is preferentially aminoacylated by the O-RS. The method further comprises (d) creating a library of (optionally mutant) RSs derived from at least one aminoacyl-tRNA synthetase (RS) from a third organism; Activity (optionally mutant) by selecting or screening from a library of mutant RSs a member that preferentially aminoacylates at least one recombinant O-tRNA in the presence of the natural amino acid and the natural amino acid Providing a pool of RS, and (f) negatively selecting a pool of activities (optionally mutant) RS that preferentially aminoacylates at least one recombinant O-tRNA in the absence of unnatural amino acids or By screening, at least one recombinant O-RS specific for the unnatural amino acid and at least one Comprising providing at least one specific O-tRNA / O-RS pairs containing recombinant O-tRNA. Specific O-tRNA / O-RS pairs produced by the method are also included in the present invention. For example, specific O-tRNA / O-RS pairs include, for example, mutRNATyr-mutTyrRS pairs (for example, mutRNATyr-SS12TyrRS pairs), mutRNALeu-mutLeuRS pairs, mutRNAThr-mutThrRS pairs, mutRNAGlu-mutGluRS pairs, and the like. Further, the method includes the case where the first organism and the third organism are the same (eg, Methanococcus jannaschii).

第2の生物のin vivo翻訳系で使用するための直交tRNA−tRNAシンテターゼ対の選択方法も本発明に含まれる。本方法はマーカー遺伝子と、tRNAと、第1の生物から単離又は誘導されるアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)を第2の生物に由来する第1組の細胞に導入する段階と、マーカー遺伝子とtRNAを第2の生物に由来する複製組の細胞に導入する段階と、第1組と複製組の細胞を選択又はスクリーニング物質の存在下に増殖させ、第1組では生存するが、複製組では生存することができない細胞を選択するか、又は第1組では特異的スクリーニング応答を示すが、複製組では特異的スクリーニング応答を示すことができない細胞を選択し、第2の生物のinvivo翻訳系で使用するための直交tRNA−tRNAシンテターゼ対を含む生存又はスクリーニング済み細胞を提供する段階を含む。1態様では、比較と選択又はスクリーニングはinvivo相補アッセイを含む。選択又はスクリーニング物質濃度を変動させてもよい。 A method of selecting an orthogonal tRNA-tRNA synthetase pair for use in an in vivo translation system of a second organism is also included in the present invention. The method comprises introducing a marker gene, a tRNA, and an aminoacyl-tRNA synthetase (RS) isolated or derived from a first organism into a first set of cells derived from a second organism, the marker gene and the tRNA. In a replicating set of cells derived from a second organism, and the first set and replicating set of cells are grown in the presence of a selection or screening agent, surviving in the first set but surviving in the replicating set. Select cells that cannot be selected, or select cells that show a specific screening response in the first set but cannot show a specific screening response in the replication set, and use them in the in vivo translation system of the second organism Providing a live or screened cell comprising an orthogonal tRNA-tRNA synthetase pair for In one aspect, the comparison and selection or screening includes an in vivo complementation assay. The selection or screening substance concentration may be varied.

本発明の生物は多様な生物と多様な組合せを含む。例えば、本発明の方法の第1の生物と第2の生物は同一でも異なっていてもよい。1態様では第1の生物は場合により原核生物(例えばMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Halobacterium、Escherichiacoli、A.fulgidus、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix、T.thermophilus等)である。あるいは、第1の生物は場合により例えば植物(例えば単子葉植物又は双子葉植物等の複雑な植物)、藻類、原生生物、真菌類(例えば酵母等)、動物(例えば哺乳動物、昆虫、節足動物等)等の真核生物でもよい。別の態様では、第2の生物はMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Halobacterium、Escherichiacoli、A.fulgidus、Halobacterium、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix、T.thermophilus等の原核生物である。あるいは、第2の生物は例えば酵母、動物細胞、植物細胞、真菌、哺乳動物等の真核生物でもよい。各種態様において、第1の生物と第2の生物は異なる。 The organism of the present invention includes various organisms and various combinations. For example, the first organism and the second organism of the method of the present invention may be the same or different. In one embodiment, the first organism is optionally a prokaryote (eg, Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum, Halobacterium, Escherichia coli, A. fulgius, P. furiosus, P. horiosus, P. horiosus, P. Alternatively, the first organism is optionally a plant (eg, a complex plant such as a monocotyledonous or dicotyledonous plant), algae, protists, fungi (eg, yeast), animals (eg, mammals, insects, arthropods). Eukaryotic organisms such as animals) may be used. In another aspect, the second organism is Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum, Halobacterium, Escherichia coli, A. et al. fulgidus, Halobacterium, P. et al. furiosus, P.M. horikoshii, A.H. pernix, T .; It is a prokaryotic organism such as thermophilus. Alternatively, the second organism may be a eukaryote such as a yeast, animal cell, plant cell, fungus, mammal or the like. In various embodiments, the first organism and the second organism are different.

本発明の(上記)各種方法は場合により選択又はスクリーニングが1種以上のポジティブ又はネガティブ選択又はスクリーニング(例えばアミノ酸透過性の変化、翻訳効率の変化及び翻訳忠実度の変化)を含む態様を含む。更に、1種以上の変化は場合によりタンパク質を生産するために直交tRNA−tRNAシンテターゼ対を使用する生物における1個以上の遺伝子の突然変異に基づく。本発明の選択及び/又はスクリーニングは場合により1種以上の選択遺伝子内又は1種以上のスクリーニング遺伝子内で少なくとも2個のセレクターコドンを使用する態様を含む。このような多重セレクターコドンは場合により同一遺伝子内又は異なるスクリーニング/選択遺伝子内に含まれる。更に、場合により使用する多重セレクターコドンは場合により異なるセレクターコドンであるか、又は同一型のセレクターコドンを含む。 Various methods (above) of the present invention optionally include embodiments in which the selection or screening includes one or more positive or negative selections or screening (eg, changes in amino acid permeability, changes in translation efficiency, and changes in translation fidelity). Furthermore, the one or more changes are based on mutations in one or more genes in the organism, optionally using orthogonal tRNA-tRNA synthetase pairs to produce the protein. The selection and / or screening of the present invention optionally includes embodiments using at least two selector codons within one or more selection genes or within one or more screening genes. Such multiple selector codons are optionally included in the same gene or in different screening / selection genes. Further, the multiple selector codons optionally used are optionally different selector codons or include the same type of selector codon.

本発明の付加特徴はキットである。例えば、キットは1種以上の上記翻訳系(例えば細胞)と、1種以上の非天然アミノ酸と、例えば適当なパッケージング材料と、キットの成分を保持するための容器と、本発明の方法を実施するための説明書及び/又は他の成分を含むことができる。同様に、例えばキットの成分を保持するための容器と、本発明の方法を実施するための説明書及び/又は他の成分を含むキットの形態で翻訳系の生産物(例えば非天然アミノ酸を含むEPO類似体等のタンパク質)を提供することもできる。 An additional feature of the present invention is a kit. For example, the kit comprises one or more of the above translation systems (eg, cells), one or more unnatural amino acids, eg, suitable packaging material, a container for holding the components of the kit, and a method of the invention. Instructions for implementation and / or other ingredients may be included. Similarly, translation system products (eg, containing unnatural amino acids) in the form of a kit containing, for example, a container for holding the components of the kit and instructions and / or other components for performing the methods of the invention. Proteins such as EPO analogs) can also be provided.

図1は、非天然アミノ酸の部位特異的in vivoタンパク質組込みを模式的に示す。直交アミノアシルtRNAシンテターゼは直交tRNAを非天然アミノ酸でアミノアシル化する。アシル化された直交tRNAは所期タンパク質をコードする遺伝子に導入されたセレクターコドン(例えばユニークコドン)により指定される位置に非天然アミノ酸を挿入する。 FIG. 1 schematically illustrates site-specific in vivo protein incorporation of unnatural amino acids. Orthogonal aminoacyl tRNA synthetases aminoacylate orthogonal tRNAs with unnatural amino acids. The acylated orthogonal tRNA inserts an unnatural amino acid at a position specified by a selector codon (for example, a unique codon) introduced into the gene encoding the desired protein.

図2A及びBは、非天然アミノ酸でアミノアシル化する活性シンテターゼの選択方法の例を模式的に示す。図2Aは非天然アミノ酸特異性をもつアミノアシルtRNAシンテターゼの選択/スクリーニングの概要を示す。ポジティブ選択では、天然又は非天然アミノ酸特異性をもつ活性シンテターゼを同定し、ネガティブ選択では、天然アミノ酸特異性をもつシンテターゼを排除する。直交tRNAに非天然アミノ酸を負荷するシンテターゼのみが選択/スクリーニング後に生存することができる。図2BはO−tRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化するシンテターゼの選択/スクリーニングの1態様を模式的に示す。例えば、直交サプレッサーtRNAを含むベクターと突然変異RSのライブラリーのメンバーとセレクターコドン(例えばアンバーコドン)をもつポジティブ選択マーカー(例えばβラクタマーゼ)を含む発現ベクターを生物に導入し、選択物質(例えばアンピシリン)の存在下に増殖させる。ポジティブ選択マーカーが発現すると、細胞は選択物質中で生存することができる。生存細胞は天然又は非天然アミノ酸(aa)をO−tRNAに負荷することが可能なシンテターゼをコードする。発現ベクターの第2の株と、1個以上のセレクターコドン(例えばTAG)をもち、発現すると細胞を死滅させるネガティブ選択マーカー(例えばバルナーゼ等の毒性遺伝子)を含む発現ベクターに活性シンテターゼを形質転換する。細胞を非天然アミノ酸の不在下に増殖させる。所与シンテターゼがO−tRNAを天然アミノ酸でアミノアシル化するならば、ネガティブ選択マーカーが発現され、細胞は死滅する。シンテターゼがO−tRNAを優先的にアミノアシル化するならば、非天然アミノ酸は存在せず、細胞は生存するのでネガティブ選択マーカーは発現されない。こうして、所望非天然コドンでO−tRNAを優先的にアミノアシル化する少なくとも1種の直交シンテターゼが得られる。 2A and B schematically show an example of a method for selecting an active synthetase that is aminoacylated with an unnatural amino acid. FIG. 2A outlines the selection / screening of aminoacyl-tRNA synthetases with unnatural amino acid specificity. Positive selection identifies active synthetases with natural or non-natural amino acid specificity, and negative selection excludes synthetases with natural amino acid specificity. Only synthetases that load orthogonal tRNAs with unnatural amino acids can survive after selection / screening. FIG. 2B schematically illustrates one embodiment of synthetase selection / screening that preferentially aminoacylates O-tRNA with unnatural amino acids. For example, a vector containing an orthogonal suppressor tRNA, a member of a library of mutant RSs, and an expression vector containing a positive selection marker (eg, β-lactamase) having a selector codon (eg, amber codon) are introduced into an organism, and a selection substance (eg, ampicillin) is introduced. ) In the presence of When the positive selectable marker is expressed, the cells can survive in the selection agent. Viable cells encode a synthetase capable of loading the O-tRNA with a natural or unnatural amino acid (aa). Transform active synthetase into a second strain of expression vector and an expression vector that has one or more selector codons (eg, TAG) and contains a negative selectable marker (eg, a toxic gene such as barnase) that kills cells when expressed. . Cells are grown in the absence of unnatural amino acids. If a given synthetase aminoacylates an O-tRNA with a natural amino acid, a negative selectable marker is expressed and the cell is killed. If the synthetase preferentially aminoacylates the O-tRNA, there will be no unnatural amino acid and the cell will survive and no negative selectable marker will be expressed. This provides at least one orthogonal synthetase that preferentially aminoacylates the O-tRNA with the desired non-natural codon.

図3は、チロシン類似体の特異的ライブラリーを作製するための部位特異的突然変異を示す。 FIG. 3 shows site-specific mutations to create a specific library of tyrosine analogs.

図4は、前記類似体の特異的ライブラリーを作製するためのペンタフルオロフェニルアラニン選択用コンセンサス配列を示す。 FIG. 4 shows the pentafluorophenylalanine selection consensus sequence for creating a specific library of said analogs.

図5は、1種の生物(例えば大腸菌)に由来する1個のドメイン(例えばCPIドメイン)を他の生物のシンテターゼ(例えばMethanococcusjannaschii TyrRS)に移植する方法を模式的に示す。 FIG. 5 schematically shows a method of transplanting one domain (for example, CPI domain) derived from one organism (for example, E. coli) to a synthetase (for example, Methanococcus jannaschii TyrRS) of another organism.

図6は、キメラMethanococcus jannaschii/大腸菌シンテターゼの構築を模式的に示す。 FIG. 6 schematically shows the construction of a chimeric Methanococcus jannaschii / E. Coli synthetase.

図7は、キメラシンテターゼ(例えばMethanococcus jannaschii/大腸菌シンテターゼ)のライブラリーの作製を模式的に示す。 FIG. 7 schematically illustrates the generation of a library of chimeric synthetases (eg, Methanococcus jannaschii / E. Coli synthetase).

図8は、内在シンテターゼ(例えば大腸菌シンテターゼ)の弱い基質であり、効率的に所期コグネイトシンテターゼにより負荷されるサプレッサーtRNAの選択の1例を模式的に示す。突然変異tRNAライブラリーのメンバーを含む発現ベクターと、1個以上のセレクターコドンをもつネガティブ選択マーカー(例えばバルナーゼ等の毒性遺伝子)を含む別のベクターを生物の細胞に導入する。ネガティブ選択の生存細胞は生物に直交性であるか又は非機能的な突然変異tRNAをコードする。生存細胞からのベクターを単離し、セレクターコドンを含むポジティブ選択マーカー(例えばβラクタマーゼ遺伝子)と共に他の細胞に形質転換する。選択物質(例えばアンピシリン)とtRNAと同一起源の生物(例えばMethanococcusjannaschii)に由来するRSの存在下に細胞を増殖させる。この選択の生存細胞は細胞のシンテターゼ(例えば大腸菌シンテターゼ)に直交性であり、tRNAと同一起源に由来するRSによりアミノアシル化される突然変異体tRNAをコードする。 FIG. 8 schematically shows an example of selection of suppressor tRNA that is a weak substrate for endogenous synthetase (eg, E. coli synthetase) and is efficiently loaded by the desired cognate synthetase. An expression vector containing a member of the mutant tRNA library and another vector containing a negative selectable marker (eg, a toxic gene such as barnase) having one or more selector codons are introduced into the cells of the organism. Negatively selected viable cells encode a mutant tRNA that is orthogonal to the organism or non-functional. Vectors from viable cells are isolated and transformed into other cells with a positive selectable marker (eg, β-lactamase gene) that contains a selector codon. Cells are grown in the presence of RS from an organism of the same origin as the selection agent (eg, ampicillin) and tRNA (eg, Methanococcus jannaschii). Surviving cells of this selection are orthogonal to the cellular synthetase (eg, E. coli synthetase) and encode a mutant tRNA that is aminoacylated by RS from the same origin as the tRNA.

図9A及びBは突然変異アンチコドンループtRNAライブラリーを模式的に示す。図9Aは突然変異全ループライブラリーを示し、図9BはMethanococcusjannaschii tRNATyrCUAのライブラリーを示す。ランダム突然変異ヌクレオチド(N)を白抜きで示す。 9A and B schematically show a mutant anticodon loop tRNA library. FIG. 9A shows a mutant whole loop library and FIG. 9B shows a library of Methanococcus jannaschii tRNA TyrCUA . Randomly mutated nucleotides (N) are shown in white.

図10は、水素結合以外の力により対合する非天然塩基対(PICS:PICS,3MN:3MN,7AI:7AI,Dipic:Py)の構造の例を模式的に示す。 FIG. 10 schematically shows an example of the structure of an unnatural base pair (PICS: PICS, 3MN: 3MN, 7AI: 7AI, Dipic: Py) that is paired by a force other than hydrogen bonding.

図11は、サプレッサーtRNAのネガティブ選択法の結果のグラフであり、所定時間における3種の構築物のうちの1種を含む生存細胞の百分率を示し、ベクター(例えばプラスミドpSCB2)により導入したバルナーゼ遺伝子中の2個のアンバーの抑圧に基づいて決定した。このプラスミドは2個のアンバーコドンを含むバルナーゼ遺伝子をコードする。GMML液体培地で選択を行い、20mMアラビノースを使用してバルナーゼ発現を誘導する。3種の構築物は以下の通りである。(1)○はサプレッサーtRNAを含まない対照プラスミドを示す。(2)△はプラスミドpAC−YYG1上のサプレッサーtRNAを示す。(3)□はプラスミドpAC−JY上のサプレッサーtRNAを示す。 FIG. 11 is a graph of the results of the negative selection method of suppressor tRNA, showing the percentage of viable cells containing one of the three constructs at a given time, in the barnase gene introduced by the vector (eg, plasmid pSCB2). Of the two ambers. This plasmid encodes a barnase gene containing two amber codons. Selection is done in GMML liquid medium and barnase expression is induced using 20 mM arabinose. The three constructs are as follows: (1) ○ indicates a control plasmid containing no suppressor tRNA. (2) Δ represents suppressor tRNA on plasmid pAC-YYG1. (3) □ indicates suppressor tRNA on plasmid pAC-JY.

図12は、βラクタマーゼ遺伝子中のアンバーコドンの抑圧に基づくポジティブ選択を示す増殖ヒストグラム。サプレッサーtRNAをコードするベクター(例えばpACプラスミド)とシンテターゼをコードするベクター(例えばpBLAM−JYRS)を生物(例えば大腸菌DH10B細胞)に同時形質転換する。各種濃度(0、100及び500μg/ml)のアンピシリンを加えた液体2×YT培地でシンテターゼと各種pACプラスミドを含む細胞を増殖させた結果をAに示し、図中、pACはサプレッサーtRNAを含まない対照プラスミドであり、pAC−YYG1はサプレッサーtRNAを含むプラスミドであり、pAC−JYはサプレッサーtRNAを含むプラスミドである。Bは500μg/mlアンピシリンを加えた2×YT寒天プレートを使用した同一構築物のポジティブ選択を示す。3種の構築物は以下の通りである。(1)○はサプレッサーtRNAを含まない対照プラスミドを示す。(2)△はプラスミドpAC−YYG1上のサプレッサーtRNAを示す。(3)□はプラスミドpAC−JY上のサプレッサーtRNAを示す。 FIG. 12 is a proliferation histogram showing positive selection based on suppression of amber codons in the β-lactamase gene. A vector (eg, pAC plasmid) encoding a suppressor tRNA and a vector (eg, pBLAM-JYRS) encoding a synthetase are cotransformed into an organism (eg, E. coli DH10B cells). The results of growing cells containing synthetase and various pAC plasmids in liquid 2 × YT medium supplemented with ampicillin at various concentrations (0, 100 and 500 μg / ml) are shown in A. In the figure, pAC does not contain suppressor tRNA. A control plasmid, pAC-YYG1 is a plasmid containing a suppressor tRNA, and pAC-JY is a plasmid containing a suppressor tRNA. B shows positive selection of the same construct using 2 × YT agar plates supplemented with 500 μg / ml ampicillin. The three constructs are as follows: (1) ○ indicates a control plasmid containing no suppressor tRNA. (2) Δ represents suppressor tRNA on plasmid pAC-YYG1. (3) □ indicates suppressor tRNA on plasmid pAC-JY.

図13は、アンチコドンループ及び全ループライブラリーから選択した突然変異体サプレッサーtRNAのDNA配列を示す。JYは野生型Methanococcusjannaschii tRNACUATyrCUAを表す。 FIG. 13 shows the DNA sequence of the mutant suppressor tRNA selected from the anticodon loop and the entire loop library. JY represents wild type Methanococcus jannaschii tRNACUATyrCUA.

図14は、TyrRSの活性部位の立体図を模式的に示す。B.stearothermophilusTyrRSに由来する残基を示す。Methanococcus jannaschii TyrRSからの対応する残基はTyr32(Tyr34)、Glu107(Asn123 )、Asp158 (Asp176 )、Ile159 (Phe177)及びLeu162 (Leu180 )である(括弧内はB.stearothermophilus TyrRS残基を表す)。 FIG. 14 schematically shows a three-dimensional view of the active site of TyrRS. B. Residues derived from stearothermophilusTyrRS are indicated. The corresponding residues from Methanococcus jannaschii TyrRS are Tyr 32 (Tyr 34 ), Glu 107 (Asn 123 ), Asp 158 (Asp 176 ), Ile 159 (Phe 177 ) and Leu 162 (Leu 180 ). B. represents stearothermophilus TyrRS residue).

図15は、TyrRSの活性部位を模式的に示す。B.stearothermophilusTyrRSに由来する残基も示す。Methanococcus jannaschii TyrRSからの対応する残基はTyr32(Tyr34)、Asp158(Asp176 )、Ile159 (Phe177 )、Leu162 (Leu180)及びAla167 (Gln189 )である(括弧内はB.stearothermophilus TyrRS残基を表す)。 FIG. 15 schematically shows the active site of TyrRS. B. Residues derived from stearothermophilusTyrRS are also shown. The corresponding residues from Methanococcus jannaschii TyrRS are Tyr 32 (Tyr 34 ), Asp 158 (Asp 176 ), Ile 159 (Phe 177 ), Leu 162 (Leu 180 ) and Ala 167 (Gln 189 ). B. represents stearothermophilus TyrRS residue).

図16A及びBは、本発明の成分(例えば直交シンテターゼ)を作製するために使用したFACS選択及びスクリーニング法の1例を模式的に示す。図16Aは直交シンテターゼライブラリーとO−tRNAの発現ベクター(ライブラリープラスミド)と、1個以上のセレクターコドン(例えばTAG)を含むT7RNAポリメラーゼ/GFPレポーター系(レポータープラスミド)のベクター(例えばプラスミド)を模式的に示す。図16Bはポジティブ選択/ネガティブスクリーニングスキームを模式的に示し、非天然アミノ酸の存在下と不在下及び選択物質の存在下と不在下で細胞を増殖させ、スクリーニング過程で蛍光細胞は非蛍光細胞をスクリーニングし、「+」と〇が夫々蛍光細胞と非蛍光細胞に対応する。 FIGS. 16A and B schematically illustrate one example of a FACS selection and screening method used to make components of the invention (eg, orthogonal synthetase). FIG. 16A shows an orthogonal synthetase library, an O-tRNA expression vector (library plasmid), and a T7 RNA polymerase / GFP reporter system (reporter plasmid) vector (eg, plasmid) containing one or more selector codons (eg, TAG). This is shown schematically. FIG. 16B schematically shows a positive selection / negative screening scheme in which cells are grown in the presence and absence of unnatural amino acids and in the presence and absence of selected substances, and fluorescent cells screen for non-fluorescent cells during the screening process. “+” And ◯ correspond to fluorescent cells and non-fluorescent cells, respectively.

図17A、B、C及びDは、増幅性蛍光レポーター系を示す。図17Aはスクリーニングに使用することができるベクター(例えばpREP等のプラスミド)を模式的に示し、T7RNAポリメラーゼ転写はaraプロモーターにより制御され、タンパク質発現は遺伝子内の各種位置のアンバーコドンの抑圧に依存する。レポーター発現(例えばGFPuv発現)はT7RNAポリメラーゼにより制御される。レポーターベクター(例えばプラスミドpREP)は直交シンテターゼ/tRNA対の発現用ベクター(例えばColE1プラスミド)との併用に適合可能である。図17BはpREP(1〜12)内のT7RNAポリメラーゼ遺伝子構築物の組成と蛍光増加を示す。構築物番号を各構築物の左側に示す。蛍光増加は各構築物の右側に示し、pREP(1〜12)とpQ又はpQDを含む細胞の蛍光をフルオロメトリーにより測定し、細胞濃度補正比として計算した。遺伝子内のアンバー突然変異の位置を示す。図17CはpREP(10)とpQD(上段)又はpQ(下段)を含む細胞のサイトメトリー分析を示す。図17DはpREP(10)を含み、各種大腸菌サプレッサーtRNAを発現する細胞のフルオロメトリー分析を示す。「なし」は細胞がサプレッサーtRNAを含まないことを示す。 17A, B, C and D show an amplifying fluorescent reporter system. FIG. 17A schematically shows a vector (for example, a plasmid such as pREP) that can be used for screening. T7 RNA polymerase transcription is controlled by an ara promoter, and protein expression depends on suppression of amber codons at various positions in the gene. . Reporter expression (eg GFPuv expression) is controlled by T7 RNA polymerase. Reporter vectors (eg, plasmid pREP) can be adapted for use with orthogonal synthetase / tRNA pair expression vectors (eg, the ColE1 plasmid). FIG. 17B shows the composition and fluorescence increase of the T7 RNA polymerase gene construct in pREP (1-12). The construct number is shown on the left side of each construct. The increase in fluorescence is shown on the right side of each construct, and the fluorescence of cells containing pREP (1-12) and pQ or pQD was measured by fluorometry and calculated as the cell concentration correction ratio. The position of the amber mutation within the gene is indicated. FIG. 17C shows cytometric analysis of cells containing pREP (10) and pQD (top) or pQ (bottom). FIG. 17D shows fluorometric analysis of cells containing pREP (10) and expressing various E. coli suppressor tRNAs. “None” indicates that the cell contains no suppressor tRNA.

図18は、表面エピトープへの非天然アミノ酸の組込みのファージ選択を模式的に示す。例えば、突然変異体シンテターゼライブラリーを導入した大腸菌に、表面タンパク質をコードする遺伝子に終止コドンをもつファージを感染させる。活性シンテターゼを含むファージはファージ表面に非天然アミノ酸を提示し、固定化モノクローナル抗体により選択される。 FIG. 18 schematically illustrates phage selection for incorporation of unnatural amino acids into surface epitopes. For example, E. coli introduced with a mutant synthetase library is infected with a phage having a stop codon in a gene encoding a surface protein. Phages containing active synthetase display unnatural amino acids on the phage surface and are selected by immobilized monoclonal antibodies.

図19は、非天然アミノ酸特異性をもつ提示されたシンテターゼ(例えばファージに提示されたシンテターゼ)をスクリーニングするために使用する分子(例えばアミノアシルアデニル酸中間体の固定化アミノアルキルアデニル酸類似体)の1例を模式的に示す。 FIG. 19 shows a molecule (eg, an immobilized aminoalkyl adenylate analog of an aminoacyl adenylate intermediate) used to screen a displayed synthetase with unnatural amino acid specificity (eg, a synthetase displayed on a phage). An example is shown schematically.

図20は、各種生物に由来する各種直交対のアンピシリン耐性を示すグラフ。本図はセレクターコドン(例えばアンバーコドン)を含むレポーター遺伝子(例えばβラクタマーゼ遺伝子)と(セレクターアンチコドンを含む)サプレッサーtRNAを各々含むレポーター構築物を使用した直交対の検出例を示し、サプレッサーtRNAは各種生物(例えばA.fulgidus、HalobacteriumNRC−1、P.furiosus、P.horikoshii及びMethanococcus jannaschii)に由来することができる。レポーター構築物と各種生物(例えばM.thermoautotrophicum、Methanococcusjannaschii、P.horikoshii、A.pernix、A.fulgidus、Halobacterium NRC−1及びEscherichia coli)からクローニングしたシンテターゼを細胞に形質転換する。各種濃度の選択物質(例えばアンピシリン)中で細胞を増殖させる。例えばinvivo相補アッセイを使用して直交tRNA/RS対をもつ細胞を選択する。本図から明らかなように、2種の系が大腸菌シンテターゼで観察されるよりも有意に高い抑圧レベルを示した。それらはM.thermoautotrophicumとMethanococcusjannaschiiである。 FIG. 20 is a graph showing ampicillin resistance of various orthogonal pairs derived from various organisms. This figure shows an example of detection of orthogonal pairs using reporter constructs each containing a reporter gene (eg, β-lactamase gene) containing a selector codon (eg, amber codon) and a suppressor tRNA (containing a selector anticodon). (E.g. A. fulgidus, Halobacterium NRC-1, P. furiosus, P. horikoshii and Methanococcus jannaschii). Reporter constructs and synthases transformed into cells from various organisms (eg M. thermoautotropicum, Methanococcus jannaschii, P. horikoshii, A. pernix, A. fulgidus, Halobacterium NRC-1 and Escherichia coli). Cells are grown in various concentrations of a selective substance (eg ampicillin). For example, cells with orthogonal tRNA / RS pairs are selected using an in vivo complementation assay. As is apparent from the figure, the two systems showed significantly higher levels of suppression than observed with E. coli synthetase. They are M.M. thermoautotropicum and Methanococcus jannaschii.

図21A及びBは、ロイシルtRNAのアンチコドンループを突然変異(例えばランダム突然変異)させ、例えば選択段階の組合せ(例えばβラクタマーゼに基づく選択とバルナーゼに基づく選択)を使用してセレクターコドン(例えばレポーター遺伝子中のアンバーコドン)のより効率的な抑圧について選択(図21B)することにより作製したHalobacteriumNRC−1由来突然変異アンバーサプレッサーtRNAを示す。図21Bは元のアンバー突然変異体、最適化アンチコドンループ及び最適化アクセプターステムの3種の突然変異体tRNA構築物を単独又はRS(例えばMtLRS)と併用した場合のβラクタマーゼアンバー抑圧系のIC50値(μg/mlアンピシリン)を示す。最適化アンチコドンと最適化アクセプターステムはβラクタマーゼ選択段階で最高値を示した。 21A and B mutate the anticodon loop of leucyl tRNA (eg, random mutation) and use a selector codon (eg, a reporter gene) using, for example, a combination of selection steps (eg, β-lactamase-based selection and barnase-based selection). The Halobacterium NRC-1 derived mutant amber suppressor tRNA produced by selecting for more efficient suppression of (amber codon in the middle) (FIG. 21B). FIG. 21B shows the IC50 value of the β-lactamase amber suppression system when the three mutant tRNA constructs of the original amber mutant, optimized anticodon loop and optimized acceptor stem are used alone or in combination with RS (eg MtLRS). (Μg / ml ampicillin). The optimized anticodon and optimized acceptor stem showed the highest value in the β-lactamase selection stage.

図22は、基本コドンのtRNAサプレッサーを示す。本図に示すtRNAサプレッサーはHalobacteriumNRC−1 TTG tRNAに由来するライブラリーから単離し、アンチコドンループの8ヌクレオチドランダムを突然変異させ、A184部位にAGGAコドンをもつβラクタマーゼ遺伝子を含むレポーター構築物を用いてアンピシリン選択した。 FIG. 22 shows the tRNA suppressor of the basic codon. The tRNA suppressor shown in this figure was isolated from a library derived from Halobacterium NRC-1 TTG tRNA, mutated an 8 nucleotide random of the anticodon loop, and ampicillin using a reporter construct containing a β-lactamase gene with an AGGA codon at the A184 site. Selected.

図23A〜Dは、成功した各進化実験からの優性シンテターゼ変異体の活性を示す。図23AはpREP/YC−JYCUAと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下(+)又は不在下(−)で増殖させ、長波長紫外線を照射した場合の写真である。図23BはpREP/YC−JYCUAと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下(左)又は不在下(右)で増殖させた場合のフルオロメトリー分析を示す。図23CはpREP/YC−JYCUAと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下又は不在下で増殖させた場合のCmIC50分析を示す表である。図23DはpBAD/JYAMB−4TAGと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下(+)又は不在下(−)で増殖させた場合のタンパク質発現分析を示す。 Figures 23A-D show the activity of dominant synthetase variants from each successful evolution experiment. FIG. 23A is a photograph of a cell containing pREP / YC-JYCUA and a designated synthetase mutant grown in the presence (+) or absence (-) of the corresponding unnatural amino acid and irradiated with long-wave ultraviolet light. FIG. 23B shows a fluorometric analysis when cells containing pREP / YC-JYCUA and the designated synthetase variant are grown in the presence (left) or absence (right) of the corresponding unnatural amino acid. FIG. 23C is a table showing CmIC 50 analysis when cells containing pREP / YC-JYCUA and designated synthetase variants are grown in the presence or absence of the corresponding unnatural amino acid. FIG. 23D shows protein expression analysis when cells containing pBAD / JYAMB-4TAG and the designated synthetase variant are grown in the presence (+) or absence (−) of the corresponding unnatural amino acid.

図24は、ネガティブFACSスクリーニング(OAY−RS(1,3,5))又はネガティブバルナーゼ選択(OAY−RS(B))を使用して得られたOAS−RS変異体の活性比較を示す。pREP/YC−JYCUAと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下(立体棒、左)又は不在下(立体棒、右)で増殖させ、フルオロメトリー分析した。非天然アミノ酸の不在下に対して存在下で増殖させた細胞の蛍光の細胞濃度補正比として蛍光増加(背後棒)を計算した。 FIG. 24 shows an activity comparison of OAS-RS mutants obtained using negative FACS screening (OAY-RS (1, 3, 5)) or negative barnase selection (OAY-RS (B)). Cells containing pREP / YC-JYCUA and designated synthetase variants were grown in the presence (stereobar, left) or absence (stereobar, right) of the corresponding unnatural amino acid and analyzed fluorometrically. The increase in fluorescence (back bar) was calculated as the cell concentration correction ratio of the fluorescence of cells grown in the presence relative to the absence of unnatural amino acids.

図25A〜Bは、M.jannaschii TyrRSの進化を誘導するための多目的レポータープラスミド系の成分を示す。図25AはプラスミドpREP/YC−JYCUAを示す。プラスミドpREP/YC−JYCUAはプラスミドpBK及び変異体との併用に適合可能である。図25BはM.jannaschiiTyrRSの進化のターゲットとして使用した非天然アミノ酸の構造を示す。 25A-B are shown in FIG. The components of the multipurpose reporter plasmid system for inducing the evolution of jannaschii TyrRS are shown. FIG. 25A shows the plasmid pREP / YC-JYCUA. Plasmid pREP / YC-JYCUA is compatible with plasmid pBK and mutants. FIG. The structure of an unnatural amino acid used as a target for the evolution of jannaschiiTyrRS is shown.

図26は、プラスミドpREP/YC−JYCUAを使用してアミノアシルtRNAシンテターゼを進化させるためのストラテジーを示す。蛍光及び非蛍光細胞を夫々黒とグレーで示す。 FIG. 26 shows a strategy for evolving aminoacyl tRNA synthetases using the plasmid pREP / YC-JYCUA. Fluorescent and non-fluorescent cells are shown in black and gray, respectively.

図27は、Thermus thermophilusに由来するスレオニルtRNAシンテターゼを示す。 FIG. 27 shows a threonyl tRNA synthetase from Thermus thermophilus.

図28は、T.thermophilus直交スレオニルtRNA/RSのための直交tRNAの作製を示す。 FIG. Figure 4 shows the creation of an orthogonal tRNA for a thermophilus orthogonal threonyl tRNA / RS.

図29は、本発明で利用される典型的非天然アミノ酸を示す。 FIG. 29 shows typical unnatural amino acids utilized in the present invention.

図30は、本発明で利用される典型的非天然アミノ酸を示す。 FIG. 30 shows typical unnatural amino acids utilized in the present invention.

図31は、本発明で利用される典型的非天然アミノ酸を示す。 FIG. 31 shows typical unnatural amino acids utilized in the present invention.

序文 preface

タンパク質は光合成や視覚からシグナル伝達や免疫応答までのほぼ全生物プロセスの岐路に位置する。これらの複雑な機能は規定一次配列に配置された比較的単純な20個の構成単位から構成されるポリアミド系ポリマーから得られる。 Proteins are at the crossroads of almost all biological processes from photosynthesis and vision to signal transduction and immune responses. These complex functions are derived from polyamide-based polymers composed of 20 relatively simple structural units arranged in a defined primary sequence.

本発明は非天然アミノ酸をタンパク質に部位特異的に直接in vivo組込むのに使用する方法と組成物を含む。重要な点は、非天然アミノ酸を20種の共通アミノ酸の1種に置換するのでなく遺伝子レパートリーに加えるという点である。本発明は非天然アミノ酸をタンパク質に組込むために生合成機構により使用される成分の作製方法、同定方法及びこれらの成分を含む組成物を提供する。本発明は例えば(i)任意タンパク質の任意所望位置に1種以上の非天然アミノ酸を部位選択的に挿入することができ、(ii)原核細胞と真核細胞のいずれにも適用可能であり、(iii)大量の精製突然変異体タンパク質の作製に加えて突然変異体タンパク質のinvivo試験が可能であり、(iv)多様な非天然アミノ酸の任意のものをタンパク質にin vivo組込むように応用できる。従って、1つの特定ポリペプチド配列に非天然アミノ酸の多数の異なる部位選択的挿入が可能である。このような挿入は場合により全てが同一型である(例えばポリペプチドの多重点に同一種の複数の非天然アミノ酸を挿入する)か、又は場合により多様な型である(例えばポリペプチドの多重点に異なる非天然アミノ酸種を挿入する)。 The present invention includes methods and compositions used to incorporate unnatural amino acids directly into a protein in a site-specific direct manner. The important point is that the unnatural amino acid is not replaced by one of the 20 common amino acids but is added to the gene repertoire. The present invention provides methods for making and identifying components used by biosynthetic mechanisms to incorporate unnatural amino acids into proteins and compositions containing these components. The present invention, for example, (i) can site-selectively insert one or more unnatural amino acids at any desired position of any protein, (ii) is applicable to both prokaryotic and eukaryotic cells, (Iii) In addition to the production of large quantities of purified mutant proteins, mutant proteins can be tested in vivo, and (iv) any of a variety of unnatural amino acids can be applied to incorporate the protein in vivo. Thus, a number of different site-selective insertions of unnatural amino acids are possible in one specific polypeptide sequence. Such insertions may optionally be all of the same type (eg, inserting multiple unnatural amino acids of the same species at multiple points of a polypeptide), or may be of various types (eg, multiple points of a polypeptide). Insert a different non-natural amino acid species).

定義 Definition

本発明を詳細に説明する前に、本発明は特定組成物又は生物系に限定されず、当然のことながら種々に適用できることを理解すべきである。また、本明細書で使用する用語は特定態様のみの説明を目的としており、限定的ではないことも理解すべきである。本明細書と特許請求の範囲に使用する単数形は明示しない限り複数形も含む。従って、例えば「分子」と言う場合には場合により2個以上のこのような分子の組合せ等も含む。 Before describing the present invention in detail, it should be understood that the present invention is not limited to a particular composition or biological system, but can of course be applied in various ways. It should also be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not limiting. The singular forms used in the specification and claims include the plural unless specifically stated otherwise. Thus, for example, reference to “a molecule” includes a combination of two or more such molecules.

特に記載しない限り、全科学技術用語は本発明が属する分野で通常使用されていると同一の意味をもつものとする。本発明の趣旨では、以下の用語は次のように定義される。 Unless otherwise noted, all scientific and technical terms shall have the same meaning as commonly used in the field to which the present invention belongs. For the purposes of the present invention, the following terms are defined as follows:

本明細書においてタンパク質及び/又はタンパク質配列は共通の祖先タンパク質又はタンパク質配列から天然又は人工的に誘導される場合に「相同」である。同様に、核酸及び/又は核酸配列は共通の祖先核酸又は核酸配列から天然又は人工的に誘導される場合に相同である。例えば、入手可能な任意突然変異誘発法により任意天然核酸を改変し、1個以上のセレクターコドンを加えることができる。この突然変異誘発した核酸は発現されると、1種以上の非天然アミノ酸を含むポリペプチドをコードする。突然変異法は当然のことながら更に1個以上の標準コドンを変異させ、得られる突然変異体タンパク質の1個以上の標準アミノ酸も変異させることができる。相同性は一般に2種以上の核酸又はタンパク質(又はその配列)間の配列類似度から推定される。相同性の判定に有用な配列間類似度の厳密な百分率は該当核酸及びタンパク質により異なるが、通常は25%程度の低い配列類似度を使用して相同性を判定する。もっと高いレベルの配列類似度、例えば30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、95%又は99%以上を使用して相同性を判定することもできる。配列類似度百分率の決定方法(例えばデフォルトパラメーターを使用するBLASTP及びBLASTIN)は本明細書に記載し、一般に入手可能である。 As used herein, proteins and / or protein sequences are “homologous” when naturally or artificially derived from a common ancestor protein or protein sequence. Similarly, nucleic acids and / or nucleic acid sequences are homologous when derived naturally or artificially from a common ancestral nucleic acid or nucleic acid sequence. For example, any natural nucleic acid can be modified by any available mutagenesis method and one or more selector codons can be added. The mutated nucleic acid, when expressed, encodes a polypeptide that includes one or more unnatural amino acids. Of course, the mutation method can also mutate one or more standard codons and also mutate one or more standard amino acids of the resulting mutant protein. Homology is generally deduced from sequence similarity between two or more nucleic acids or proteins (or their sequences). The exact percentage of similarity between sequences useful for determining homology depends on the nucleic acid and protein of interest, but homology is usually determined using a sequence similarity as low as 25%. Higher levels of sequence similarity, such as 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95% or 99% or more can also be used to determine homology. Methods for determining percent sequence similarity (eg, BLASTP and BLASTIN using default parameters) are described herein and are generally available.

「優先的にアミノアシル化する」なる用語はO−RSが非天然アミノ酸でO−tRNAをアミノアシル化する効率が天然tRNA又はO−tRNAを作製するために使用する出発材料に比較して例えば約70%、約75%、約85%、約90%、約95%、又は約99%以上であることを意味する。その後、非天然アミノ酸は高い忠実度で成長中のポリペプチド鎖に組込まれ、例えば所与セレクターコドンで約75%以上、所与セレクターコドンで約80%以上、所与セレクターコドンで約90%以上、所与セレクターコドンで約95%以上、又は所与セレクターコドンで99%以上の効率である。 The term “preferentially aminoacylating” means that the efficiency with which O-RS aminoacylates an O-tRNA with an unnatural amino acid is, for example, about 70 compared to the starting material used to make the natural tRNA or O-tRNA. %, About 75%, about 85%, about 90%, about 95%, or about 99% or more. The unnatural amino acid is then incorporated into the growing polypeptide chain with high fidelity, eg, about 75% or more for a given selector codon, about 80% or more for a given selector codon, about 90% or more for a given selector codon. An efficiency of about 95% or more for a given selector codon or 99% or more for a given selector codon.

「セレクターコドン」なる用語は翻訳プロセスでO−tRNAにより認識されるが、内在tRNAにより認識されないコドンを意味する。O−tRNAアンチコドンループはmRNA上のセレクターコドンを認識し、そのアミノ酸(例えば非天然アミノ酸)をポリペプチド内のこの部位に組込む。セレクターコドンとしては例えばナンセンスコドン(例えばアンバー、オーカー及びオパールコドン等の終止コドン)、4塩基以上のコドン、天然又は非天然塩基対から誘導されるコドン等を挙げることができる。所与系ではセレクターコドンは更に天然3塩基コドンの1種を含むことができ、内在系は前記天然3塩基コドンを使用せず、このような系としては例えば天然3塩基コドンを認識するtRNAを欠失する系や、天然3塩基コドンがレアコドンである系が挙げられる。 The term “selector codon” refers to a codon that is recognized by the O-tRNA in the translation process but not by the endogenous tRNA. The O-tRNA anticodon loop recognizes a selector codon on the mRNA and incorporates its amino acid (eg, an unnatural amino acid) at this site in the polypeptide. Examples of the selector codon include nonsense codons (for example, stop codons such as amber, ocher and opal codons), codons having 4 or more bases, and codons derived from natural or unnatural base pairs. In a given system, the selector codon can further include one of the natural 3-base codons, the endogenous system does not use the natural 3-base codon, such as a tRNA that recognizes the natural 3-base codon. Examples include a deletion system and a system in which a natural 3-base codon is a rare codon.

本明細書において「直交」なる用語は所期系(例えば翻訳系、例えば細胞)により低効率で使用される分子(例えば直交tRNA(O−tRNA)及び/又は直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS))を意味する。直交とは直交tRNA及び/又は直交RSが所期翻訳系で機能できないか又は効率が低く、例えば20%未満、10%未満、5%未満、又は例えば1%未満であることを意味する。例えば、直交tRNAが所期翻訳系で所期翻訳系の任意内在RSをアミノアシル化する効率は内在RSによる内在tRNAのアミノアシル化に比較して低下するか又はゼロである。別の例では、直交RSが所期翻訳系で任意内在tRNAをアミノアシル化する効率は内在RSによる内在tRNAのアミノアシル化に比較して低下するか又はゼロである。「直交性の改善」とは出発材料又は天然tRNAもしくはRSに比較して直交性が増していることを意味する。 As used herein, the term “orthogonal” refers to molecules (eg, orthogonal tRNA (O-tRNA) and / or orthogonal aminoacyl tRNA synthetase (O-RS)) that are used with low efficiency by the intended system (eg, translation system, eg, cell). ). Orthogonal means that orthogonal tRNA and / or orthogonal RS cannot function or have low efficiency in the intended translation system, eg, less than 20%, less than 10%, less than 5%, or such as less than 1%. For example, the efficiency with which an orthogonal tRNA aminoacylates any endogenous RS of the intended translation system in the intended translation system is reduced or zero compared to aminoacylation of the endogenous tRNA by the endogenous RS. In another example, the efficiency with which an orthogonal RS aminoacylates any endogenous tRNA in the intended translation system is reduced or zero compared to the aminoacylation of the endogenous tRNA by the endogenous RS. “Improved orthogonality” means increased orthogonality compared to the starting material or native tRNA or RS.

「相補的」なる用語は直交対の成分であるO−tRNAとO−RSが共同して機能できる(例えばO−RSがO−tRNAをアミノアシル化する)ことを意味する。 The term “complementary” means that O-tRNA and O-RS, which are orthogonal pairs of components, can function together (eg, O-RS aminoacylates O-tRNA).

「から誘導される」なる用語は生物から単離された成分、単離して改変した成分、又は生物からの成分の情報を使用して作製(例えば化学的に合成)された成分を意味する。 The term “derived from” refers to a component isolated from an organism, an isolated and modified component, or a component created (eg, chemically synthesized) using component information from the organism.

「翻訳系」なる用語は成長中のポリペプチド鎖(タンパク質)に天然アミノ酸を組込むために必要な成分を意味する。例えば、成分としてはリボソーム、tRNA、シンテターゼ、mRNA等を挙げることができる。本発明の成分はinvivoでもin vitroでも翻訳系に加えることができる。 The term “translation system” refers to the components necessary to incorporate a natural amino acid into a growing polypeptide chain (protein). For example, examples of the component include ribosome, tRNA, synthetase, and mRNA. The components of the present invention can be added to the translation system either in vivo or in vitro.

「不活性RS」なる用語はそのコグネイトtRNAをアミノ酸でアミノアシル化できないように突然変異させたシンテターゼを意味する。 The term “inactive RS” refers to a synthetase that has been mutated so that the cognate tRNA cannot be aminoacylated with an amino acid.

「選択物質」なる用語はこのような物質が存在すると、集団から所定成分を選択できる物質(例えば抗生物質、光波長、抗体、栄養素等)を意味する。選択物質は例えば濃度、強度等を変動させることができる。 The term “selective substance” means a substance (for example, an antibiotic, a light wavelength, an antibody, a nutrient, etc.) that can select a predetermined component from a population when such a substance is present. For example, the concentration and strength of the selected substance can be varied.

「ポジティブ選択マーカー」なる用語はこのような物質が存在する(例えば発現、活性化等される)と、ポジティブ選択マーカーをもたない生物からポジティブ選択マーカーをもつ生物を識別するマーカーを意味する。 The term “positive selection marker” refers to a marker that, when such a substance is present (eg, expressed, activated, etc.), distinguishes an organism having a positive selection marker from an organism that does not have a positive selection marker.

「ネガティブ選択マーカー」なる用語はこのような物質が存在する(例えば発現、活性化等される)と、(例えば所望特性をもつ生物から)所望特性をもたない生物を識別できるマーカーを意味する。 The term “negative selectable marker” refers to a marker that can distinguish an organism that does not have a desired property (eg, from an organism that has the desired property) when such a substance is present (eg, expressed, activated, etc.). .

「レポーター」なる用語は本発明に記載する成分を選択するために使用することができる成分を意味する。例えば、レポーターとしてはグリーン蛍光タンパク質、ホタルルシフェラーゼタンパク質、β−gal/lacZ(βガラクトシダーゼ)、Adh(アルコールデヒドロゲナーゼ)等の遺伝子等を挙げることができる。 The term “reporter” refers to a component that can be used to select components described in the present invention. Examples of the reporter include genes such as green fluorescent protein, firefly luciferase protein, β-gal / lacZ (β-galactosidase), Adh (alcohol dehydrogenase), and the like.

「効率的に認識されない」なる用語はある生物からのRSがO−tRNAをアミノアシル化する効率が例えば約10%未満、約5%未満、又は約1%未満であることを意味する。 The term “not efficiently recognized” means that the RS from an organism aminoacylates an O-tRNA, for example, less than about 10%, less than about 5%, or less than about 1%.

「真核生物」なる用語は系統発生分類の真核生物に属する生物を意味し、例えば動物(例えば哺乳動物、昆虫、爬虫類、鳥類等)、繊毛虫、植物、真菌類(例えば酵母等)、鞭毛虫、微胞子虫、原生生物等である。更に、「原核生物」なる用語は系統発生分類の真正細菌(例えばEscherichiacoli、Thermus thermophilus等)と始原菌(例えばMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Halobacterium(例えばHaloferaxvolcanii及びHalobacterium種NRC−1)、A, fulgidus、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix等)に属する非真核生物を意味する。 The term “eukaryotic organism” means an organism belonging to the eukaryotic organism of the phylogenetic classification, such as animals (eg mammals, insects, reptiles, birds, etc.), ciliates, plants, fungi (eg yeasts, etc.), Flagellates, microsporidia, protists, etc. Further, the term “prokaryote” refers to eubacteria (eg, Escherichia coli, Thermus thermophilus, etc.) and protozoa (eg, Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermobacterium, Halobacterium thermophilo, .Furiosus, P.horikoshii, A.pernix and the like).

「サプレッサーtRNA」は所与翻訳系でメッセンジャーRNA(mRNA)の読取りを改変するtRNAである。サプレッサーtRNAは例えば終止コドン、4塩基コドン又はレアコドンを介して読み取ることができる。 A “suppressor tRNA” is a tRNA that modifies the reading of messenger RNA (mRNA) in a given translation system. The suppressor tRNA can be read, for example, via a stop codon, a 4 base codon or a rare codon.

詳細な説明 Detailed description

本発明は非天然アミノ酸をタンパク質にin vivo組込むための生合成翻訳機構の新規成分のための方法と組成物に関する。具体的には、直交tRNAと、直交RSと、直交tRNA/直交RS対を含む組成物と作製方法が提供される。これらの成分は、宿主細胞に導入すると、非天然アミノ酸を所期ポリペプチド(タンパク質)にinvivo組込むために細胞の翻訳系で使用することができる。例えば、こうして部位特異的非天然アミノ酸突然変異誘発、又は場合によりランダム非天然アミノ酸突然変異誘発を行うことができる。直交tRNAはセレクターコドンに応答して非天然アミノ酸を送達し、直交シンテターゼは直交tRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化する。O−RSは直交tRNAを20種の共通アミノ酸で効率的にアミノアシル化しない。直交対の作製及び同定方法も提供する。 The present invention relates to methods and compositions for novel components of biosynthetic translation machinery for incorporating unnatural amino acids into proteins in vivo. Specifically, a composition comprising an orthogonal tRNA, an orthogonal RS, and an orthogonal tRNA / orthogonal RS pair and a production method thereof are provided. These components, when introduced into a host cell, can be used in a cellular translation system to incorporate unnatural amino acids into the desired polypeptide (protein) in vivo. For example, site-specific unnatural amino acid mutagenesis or, optionally, random unnatural amino acid mutagenesis can be performed. An orthogonal tRNA delivers an unnatural amino acid in response to a selector codon, and an orthogonal synthetase preferentially aminoacylates the orthogonal tRNA with the unnatural amino acid. O-RS does not efficiently aminoacylate orthogonal tRNAs with 20 common amino acids. Also provided are methods for making and identifying orthogonal pairs.

非天然アミノ酸の部位特異的in vivoタンパク質組込みを図1に示す。セレクターコドン(例えばユニークコドン)を所期遺伝子に導入する。遺伝子はmRNAに転写され、リボソームで通常の翻訳が開始する。内在シンテターゼはATPの存在下に内在tRNAを天然アミノ酸(aa)でアミノアシル化する。直交tRNAはATPの存在下に直交シンテターゼにより非天然アミノ酸で酵素的にアミノアシル化される。リボソームがセレクターコドンにぶつかると、セレクターアンチコドン(例えばユニークアンチコドン)を含むように改変された直交tRNAは非天然アミノ酸として突然変異をデコードすることができ、非天然アミノ酸を組込んだ全長産物まで翻訳が進行する。 Site-specific in vivo protein incorporation of unnatural amino acids is shown in FIG. A selector codon (eg, a unique codon) is introduced into the desired gene. The gene is transcribed into mRNA and normal translation begins in the ribosome. Endogenous synthetase aminoacylates the endogenous tRNA with the natural amino acid (aa) in the presence of ATP. An orthogonal tRNA is enzymatically aminoacylated with an unnatural amino acid by an orthogonal synthetase in the presence of ATP. When the ribosome hits the selector codon, the orthogonal tRNA modified to contain a selector anticodon (eg, a unique anticodon) can decode the mutation as an unnatural amino acid and translate to a full-length product incorporating the unnatural amino acid. proceed.

直交アミノアシルtRNAシンテターゼ、O−RSOrthogonal aminoacyl-tRNA synthetase, O-RS

非天然アミノ酸を特異的にin vivo組込むためには、20種の共通アミノ酸ではなく所望非天然アミノ酸のみをtRNAに負荷するようにシンテターゼの基質特異性を改変する。直交シンテターゼが無差別な場合には、ターゲット位置に天然アミノ酸と非天然アミノ酸の混合物を含む突然変異体タンパク質となる。例えば、p−F−Pheを部位特異的に組込む試みの1つとして、酵母アンバーサプレッサーtRNAPheCUA/フェニルアラニル−tRNAシンテターゼ対がp−F−Phe耐性Phe栄養要求性大腸菌株で使用された。例えばR.Furter,ProteinSci.,7:419(1998)参照。酵母PheRSはp−F−Pheに対して高い基質特異性をもたないので、増殖培地に過剰のp−F−Pheを添加しても突然変異誘発部位はp−F−Pheが64〜75%で残りはPheとLysとして翻訳された。更に、Pheコドン位置に7%のp−F−Pheが検出され、内在大腸菌PheRSはPhe以外にp−F−Pheも組込むと考えられた。このアプローチは翻訳忠実度が低いため、一般に他の非天然アミノ酸には適用できない。天然シンテターゼは固有忠実度が高く、非天然アミノ酸は細胞機能に必要ないので、シンテターゼの基質特異性を改変することは困難であると予想された。本発明はこの問題を解決し、非天然アミノ酸等の基質特異性を改変したシンテターゼの組成物とその作製方法を提供する。本発明の成分を使用すると、非天然アミノ酸の組込み効率は約75%以上、約85%以上、約95%以上、又は約99%以上となる。 In order to specifically incorporate an unnatural amino acid in vivo, the substrate specificity of the synthetase is modified so that only the desired unnatural amino acid is loaded into the tRNA instead of the 20 common amino acids. If the orthogonal synthetase is indiscriminate, it will be a mutant protein containing a mixture of natural and non-natural amino acids at the target position. For example, as one of the attempts to incorporate p-F-Phe site-specifically, the yeast amber suppressor tRNAPheCUA / phenylalanyl-tRNA synthetase pair was used in a p-F-Phe resistant Phe auxotrophic E. coli strain. For example, R.A. Furter, ProteinSci. 7: 419 (1998). Since yeast PheRS does not have high substrate specificity for p-F-Phe, even if an excess of p-F-Phe is added to the growth medium, the mutagenesis site is 64 to 75 p-F-Phe. % And the rest were translated as Phe and Lys. Furthermore, 7% of p-F-Phe was detected at the Phe codon position, and it was considered that endogenous E. coli PheRS also incorporated p-F-Phe in addition to Phe. This approach is generally not applicable to other unnatural amino acids due to low translation fidelity. Since natural synthetases have high intrinsic fidelity and unnatural amino acids are not required for cellular function, it was expected that modifying the substrate specificity of synthetase would be difficult. The present invention solves this problem and provides a composition of a synthetase having a modified substrate specificity such as an unnatural amino acid and a method for producing the same. Using the components of the present invention, the incorporation efficiency of the unnatural amino acid is about 75% or more, about 85% or more, about 95% or more, or about 99% or more.

本発明の組成物は直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)を含み、O−RSは場合によりinvivoにおいて直交tRNA(O−tRNA)を非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化する。1態様において、O−RSは配列番号4〜34(表5参照)及びその相補的ポリヌクレオチド配列から構成される群から選択されるポリヌクレオチド配列を含む核酸を含む。別の態様において、O−RSは天然アミノ酸(例えば20種の公知アミノ酸の1種)よりも非天然アミノ酸に対して改善又は強化された酵素特性をもち、例えばKmが低い、kcat が高い、kcat /Km が高い等である。典型的O−tRNA及びO−RS分子の配列は実施例10に記載する。 The compositions of the invention comprise an orthogonal aminoacyl tRNA synthetase (O-RS), which optionally aminoacylates the orthogonal tRNA (O-tRNA) with an unnatural amino acid, optionally in vivo. In one embodiment, the O-RS comprises a nucleic acid comprising a polynucleotide sequence selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 4-34 (see Table 5) and its complementary polynucleotide sequence. In another embodiment, the O-RS has improved or enhanced enzymatic properties over unnatural amino acids over natural amino acids (eg, one of the 20 known amino acids), eg, low K m , high k cat K cat / K m is high. The sequences of typical O-tRNA and O-RS molecules are described in Example 10.

O−RSの生産方法は野生型シンテターゼの骨格から突然変異体シンテターゼのプールを作製した後、20種の共通アミノ酸に比較した非天然アミノ酸に対する特異性に基づいて突然変異RSを選択することを基本とする。このようなシンテターゼを単離するために、本発明の選択方法は(i)1回目の選択からの所期シンテターゼの活性を低くすることができ、集団を小さくできるので高感度であり、(ii)各回の選択で選択ストリンジェンシーを変えることが望ましいので「調節可能」であり、(iii)汎用性であるため、種々の非天然アミノ酸に使用できる。 The O-RS production method is based on creating a pool of mutant synthetases from the skeleton of wild-type synthetase and then selecting the mutant RS based on the specificity for unnatural amino acids compared to the 20 common amino acids. And In order to isolate such a synthetase, the selection method of the present invention is highly sensitive because (i) the activity of the desired synthetase from the first selection can be reduced, and the population can be made small, (ii) ) It is “tunable” because it is desirable to change the selection stringency at each selection, and (iii) it is versatile and can be used for a variety of unnatural amino acids.

本発明は例えばシンテターゼの活性部位、シンテターゼの編集メカニズム部位、シンテターゼの種々のドメインを組み合わせることにより種々の部位等でシンテターゼを突然変異させ、選択法を適用することにより直交アミノアシルtRNAシンテターゼを作製するための方法を提供する。図2Aはポジティブ選択後にネガティブ選択を行う組合せに基づくinvivo選択/スクリーニングストラテジーを模式的に示す。ポジティブ選択では、ポジティブマーカーの非必須位置に導入したセレクターコドンを抑圧し、ポジティブ選択圧下に細胞を生存させる。従って、天然及び非天然アミノ酸両者の存在下で生存する細胞は直交サプレッサーtRNAに天然又は非天然アミノ酸を負荷する活性シンテターゼをコードする。ネガティブ選択では、ネガティブマーカーの非必須位置に導入したセレクターコドンを抑圧し、天然アミノ酸特異性をもつシンテターゼを除去する。ネガティブ選択とポジティブ選択後に生存している細胞は直交サプレッサーtRNAを非天然アミノ酸のみでアミノアシル化(負荷)するシンテターゼをコードする。その後、これらのシンテターゼを例えばDNAシャフリング又は他の再帰的突然変異誘発法により更に突然変異誘発することができる。当然のことながら、他の態様では、本発明は場合により例えばO−RS、O−tRNA、対等を同定するために段階の順序を変え、ネガティブ選択/スクリーニング後にポジティブ選択/スクリーニングを行うか、又は逆でも任意組合せが可能である。 In the present invention, for example, an active site of synthetase, an editing mechanism site of synthetase, various domains of synthetase are combined to mutate the synthetase at various sites, etc., and an orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase is produced by applying a selection method Provide a way. FIG. 2A schematically illustrates an in vivo selection / screening strategy based on a combination of negative selection followed by positive selection. In the positive selection, the selector codon introduced at a non-essential position of the positive marker is suppressed, and the cells are allowed to survive under the positive selection pressure. Thus, cells that survive in the presence of both natural and unnatural amino acids encode active synthetases that load the orthogonal suppressor tRNA with natural or unnatural amino acids. In the negative selection, the selector codon introduced at the non-essential position of the negative marker is suppressed, and the synthetase having the natural amino acid specificity is removed. Cells that survive the negative selection and positive selection encode a synthetase that aminoacylates (loads) the orthogonal suppressor tRNA with only the unnatural amino acid. These synthetases can then be further mutagenized, for example, by DNA shuffling or other recursive mutagenesis methods. Of course, in other embodiments, the present invention optionally alters the order of steps to identify, for example, O-RS, O-tRNA, peers, etc., and performs positive selection / screening after negative selection / screening, or Any combination is possible on the contrary.

例えば、図2B参照。図2Bではセレクターコドン(例えばTAG)をもつレポーター遺伝子(例えばβラクタマーゼ等の抗生物質耐性遺伝子)にセレクターコドン(例えばアンバーコドン)を配置する。突然変異RSのライブラリーのメンバーを含む発現ベクターにこのレポーター遺伝子を配置する。この発現ベクターと直交tRNA(例えば直交サプレッサーtRNA)を含むベクターを細胞に導入し、選択物質(例えばアンピシリン等の抗生物質培地)の存在下に増殖させる。シンテターゼが所定アミノ酸でサプレッサーtRNAをアミノアシル化(負荷)できる場合のみにセレクターコドンはデコードされ、細胞は抗生物質培地で生存する。 For example, see FIG. 2B. In FIG. 2B, a selector codon (for example, amber codon) is arranged in a reporter gene having a selector codon (for example, TAG) (for example, an antibiotic resistance gene such as β-lactamase). This reporter gene is placed in an expression vector containing members of a library of mutant RSs. A vector containing this expression vector and an orthogonal tRNA (for example, an orthogonal suppressor tRNA) is introduced into cells and grown in the presence of a selective substance (for example, an antibiotic medium such as ampicillin). Only when the synthetase can aminoacylate (load) the suppressor tRNA with a given amino acid, the selector codon is decoded and the cells survive in antibiotic medium.

非天然アミノ酸の存在下にこの選択を適用し、ある程度のアミノアシル化能をもつシンテターゼをコードするシンテターゼ遺伝子を不活性なシンテターゼ遺伝子から選別する。得られるシンテターゼプールは20種の天然アミノ酸又は非天然アミノ酸を負荷している可能性がある。非天然アミノ酸のみに負荷するシンテターゼを更に選択するために、第2の選択(例えばネガティブ選択)を適用する。この場合には、ネガティブ選択マーカーとO−tRNAを含む発現ベクターと、突然変異RSライブラリーのメンバーを含む発現ベクターを使用する。このネガティブ選択マーカーは少なくとも1個のセレクターコドン(例えばTAG)を含む。これらの発現ベクターを別の細胞に導入し、非天然アミノ酸の不在下で場合により選択物質(例えばテトラサイクリン)の存在下に増殖させる。ネガティブ選択では、天然アミノ酸に特異性をもつシンテターゼが直交tRNAに負荷するので、ネガティブマーカーのセレクターコドンが抑圧され、細胞死に至る。非天然アミノ酸を加えないので、非天然アミノ酸に特異性をもつシンテターゼは生存する。例えば、セレクターコドン(例えば終止コドン)をレポーター遺伝子(例えばバルナーゼ等の毒性タンパク質をコードする遺伝子)に導入する。シンテターゼが非天然アミノ酸の不在下でサプレッサーtRNAに負荷することができるならば、細胞は毒性遺伝子産物を翻訳することにより死滅する。両者の選択/スクリーニングを通過する生存細胞は直交tRNAに非天然アミノ酸を特異的に負荷するシンテターゼをコードする。 This selection is applied in the presence of an unnatural amino acid, and a synthetase gene encoding a synthetase having some aminoacylation ability is selected from inactive synthetase genes. The resulting synthetase pool may be loaded with 20 natural or non-natural amino acids. To further select synthetases that load only unnatural amino acids, a second selection (eg, negative selection) is applied. In this case, an expression vector containing a negative selection marker and an O-tRNA and an expression vector containing a member of a mutant RS library are used. This negative selectable marker includes at least one selector codon (eg, TAG). These expression vectors are introduced into another cell and grown in the absence of an unnatural amino acid, optionally in the presence of a selection agent (eg, tetracycline). In the negative selection, a synthetase having specificity for the natural amino acid loads the orthogonal tRNA, so that the negative marker selector codon is suppressed, leading to cell death. Since no unnatural amino acid is added, synthetases with specificity for the unnatural amino acid survive. For example, a selector codon (eg, a stop codon) is introduced into a reporter gene (eg, a gene encoding a toxic protein such as barnase). If the synthetase can be loaded into the suppressor tRNA in the absence of the unnatural amino acid, the cell will die by translating the toxic gene product. Viable cells that pass both selections / screens encode a synthetase that specifically charges the orthogonal tRNA with an unnatural amino acid.

1態様では、少なくとも1種の組換え直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)の生産方法は、(a)第1の生物に由来する少なくとも1種のアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)から誘導される突然変異体RSのライブラリーを作製する段階と、(b)非天然アミノ酸と天然アミノ酸の存在下に直交tRNA(O−tRNA)をアミノアシル化するメンバーを突然変異体RSのライブラリーから選択することにより活性突然変異体RSのプールを提供する段階と、(c)非天然アミノ酸の不在下にO−tRNAを優先的にアミノアシル化する活性突然変異体RSのプールをネガティブ選択することにより、O−tRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化する少なくとも1種の組換えO−RSを提供する段階を含む。場合により、選択されたシンテターゼ遺伝子に突然変異誘発(例えばランダム突然変異誘発、組換え等)により更に突然変異を導入して第2世代シンテターゼライブラリーを作製し、これを使用して所望活性をもつ突然変異体シンテターゼが得られるまで更に選択する。前記方法により生産された組換えO−RSも本発明に含まれる。以下に説明するように、本発明の直交tRNA/シンテターゼ対は場合により第1の生物に由来する成分を第2の生物に導入することによっても作製される。 In one aspect, the method of producing at least one recombinant orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase (O-RS) comprises (a) a mutation derived from at least one aminoacyl-tRNA synthetase (RS) derived from a first organism. Active by selecting from the library of mutant RS a member that aminoacylates an orthogonal tRNA (O-tRNA) in the presence of an unnatural amino acid and a natural amino acid; Providing a pool of mutant RS, and (c) negatively selecting a pool of active mutant RS that preferentially aminoacylates the O-tRNA in the absence of unnatural amino acids. Providing at least one recombinant O-RS that is preferentially aminoacylated with an unnatural amino acid. . In some cases, the selected synthetase gene is further mutagenized by mutagenesis (eg, random mutagenesis, recombination, etc.) to generate a second generation synthetase library, which is used to have the desired activity. Further selections are made until mutant synthetase is obtained. Recombinant O-RS produced by the above method is also included in the present invention. As explained below, the orthogonal tRNA / synthetase pairs of the present invention are also made by optionally introducing a component from a first organism into a second organism.

1態様では、RSは不活性RSである。不活性RSは活性RSを突然変異させることにより作製することができる。例えば、不活性RSは少なくとも約5個のアミノ酸を別のアミノ酸(例えばアラニン)に突然変異させることにより作製することができる。 In one aspect, the RS is an inactive RS. Inactive RSs can be generated by mutating active RSs. For example, an inactive RS can be made by mutating at least about 5 amino acids to another amino acid (eg, alanine).

突然変異体RSのライブラリーは当分野で公知の種々の突然変異誘発技術を使用して作製することができる。例えば、突然変異体RSは部位特異的突然変異、ランダム点突然変異、invitro相同組換え、キメラ構築物等により作製することができる。1態様では、シンテターゼの編集部位に突然変異を導入し、編集メカニズムを妨害及び/又は基質特異性を改変させる。例えば図3及び図4参照。図3はチロシン類似体の特異的ライブラリーを作製するための部位特異的突然変異を示す。図4は前記類似体の特異的ライブラリーを作製するためのペンタフルオロフェニルアラニン選択用コンセンサス配列を示す。突然変異体RSのライブラリーはキメラシンテターゼライブラリー(例えばキメラMethanococcusjannaschii/大腸菌シンテターゼのライブラリー)も含む。あるシンテターゼのドメインに別のシンテターゼからのドメインを付加又は交換することができる。図5は1種の生物(例えば大腸菌)に由来する1個のドメイン(例えばCPIドメイン)を他の生物のシンテターゼ(例えばMethanococcusjannaschii TyrRS)に移植する方法を模式的に示す。CPIは大腸菌TyrRSからヒトTyrRSに移植することができる。例えばWakasugi,K.ら,EMBOJ.17:297−305(1998)参照。図6はキメラMethanococcus jannaschii/大腸菌シンテターゼの構築を模式的に示し、図7はキメラシンテターゼ(例えばMethanococcus jannaschii/大腸菌シンテターゼ)のライブラリーの作製を模式的に示す。例えばSieberら,Nature Biotechnology,19:456−460(2001)参照。キメラライブラリーを各種特性についてスクリーニングし、例えば発現されたインフレームのメンバー、所期シンテターゼの活性をもたないメンバー、及び/又は所期シンテターゼの活性を示すメンバーをスクリーニングする。 A library of mutant RSs can be generated using various mutagenesis techniques known in the art. For example, the mutant RS can be generated by site-directed mutagenesis, random point mutation, in vitro homologous recombination, chimera construct, and the like. In one embodiment, mutations are introduced into the editing site of the synthetase to interfere with the editing mechanism and / or alter substrate specificity. See, for example, FIGS. FIG. 3 shows site-specific mutations to create a specific library of tyrosine analogs. FIG. 4 shows a pentafluorophenylalanine selection consensus sequence for creating a specific library of said analogs. Mutant RS libraries also include chimeric synthetase libraries (eg, chimeric Methanococcus jannaschii / E. Coli synthetase libraries). A domain from one synthetase can be added or exchanged with a domain from another synthetase. FIG. 5 schematically shows a method for transplanting one domain (for example, CPI domain) derived from one organism (for example, E. coli) to a synthetase (for example, Methanococcus jannaschii TyrRS) of another organism. CPI can be transplanted from E. coli TyrRS into human TyrRS. See, for example, Wakasugi, K .; Et al., EMBOJ. 17: 297-305 (1998). FIG. 6 schematically shows the construction of a chimeric Methanococcus jannaschii / E. Coli synthetase, and FIG. 7 schematically shows the construction of a library of chimeric synthetases (eg, Methanococcus jannaschii / E. Coli synthetase). See, eg, Sieber et al., Nature Biotechnology, 19: 456-460 (2001). The chimeric library is screened for various properties, eg, expressed in-frame members, members without the desired synthetase activity, and / or members exhibiting the desired synthetase activity.

1態様では、ポジティブ選択段階は、少なくとも1個のセレクターコドン(例えばアンバーコドン)を含むポジティブ選択マーカー(例えば抗生物質耐性遺伝子等)と突然変異体RSのライブラリーを複数の細胞に導入し、選択物質の存在下に複数の細胞を増殖させ、ポジティブ選択マーカー中で少なくとも1個のセレクターコドンを抑圧することにより選択物質の存在下に生存する細胞を選択し、活性突然変異体RSのプールを含むポジティブ選択済み細胞のサブセットを提供することを含む。場合により、選択物質濃度を変動させてもよい。 In one embodiment, the positive selection step introduces a library of mutant RS with a positive selection marker (eg, antibiotic resistance gene) comprising at least one selector codon (eg, amber codon) and selection. Select a cell that survives in the presence of a selective substance by growing a plurality of cells in the presence of the substance and suppressing at least one selector codon in a positive selectable marker, comprising a pool of active mutant RS Providing a subset of positively selected cells. In some cases, the concentration of the selected substance may be varied.

1態様では、ネガティブ選択段階は、少なくとも1個のセレクターコドンを含むネガティブ選択マーカー(例えばクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子等の抗生物質耐性遺伝子)をポジティブ選択からの活性突然変異体RSのプールと共に第2の生物の複数の細胞に導入し、非天然アミノ酸と選択物質を加えた第1の培地で生存するが、非天然アミノ酸と選択物質を加えない第2の培地では生存することができない細胞を選択することにより、少なくとも1種の組換えO−RSをもつ生存細胞を提供することを含む。場合により、選択物質濃度を変動させる。 In one embodiment, the negative selection step includes the negative selection marker comprising at least one selector codon (eg, an antibiotic resistance gene such as a chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene) of the active mutant RS from the positive selection. It is introduced into a plurality of cells of the second organism together with the pool and survives in the first medium to which the unnatural amino acid and the selective substance are added, but can survive in the second medium to which the unnatural amino acid and the selective substance are not added. Providing viable cells with at least one recombinant O-RS by selecting cells that are not capable. In some cases, the concentration of the selected substance is varied.

上記第1の培地と第2の培地としては例えば直接レプリカプレート法が挙げられる。例えば、ポジティブ選択を通過した後に、アンピシリン又はクロラムフェニコールの存在下で非天然アミノ酸の不在下に細胞を増殖させる。非天然アミノ酸を加えたレプリカプレートから生存しない細胞を単離する。第2のネガティブ選択株への形質転換は不要であり、表現型が分かる。他の潜在的選択マーカーに比較すると、抗生物質耐性に基づくポジティブ選択は抗生物質濃度を変えることにより選択ストリンジェンシーを調節することができ、細胞が生存可能な最高抗生物質濃度をモニターすることにより抑圧効率を比較することができる。更に、増殖法は集積法である。このため所望表現型を迅速に蓄積することができる。 Examples of the first medium and the second medium include a direct replica plate method. For example, after passing positive selection, cells are grown in the absence of unnatural amino acids in the presence of ampicillin or chloramphenicol. Isolate non-viable cells from replica plates supplemented with unnatural amino acids. Transformation into the second negative selection strain is unnecessary and the phenotype is known. Compared to other potential selectable markers, positive selection based on antibiotic resistance can regulate selection stringency by changing antibiotic concentration and suppressed by monitoring the highest antibiotic concentration at which cells can survive The efficiency can be compared. Furthermore, the growth method is an accumulation method. Therefore, the desired phenotype can be quickly accumulated.

別の態様では、活性突然変異体RSのプールをネガティブ選択する段階は、ポジティブ選択段階(b)からの活性突然変異体RSのプールを単離し、少なくとも1個のセレクターコドンを含むネガティブ選択マーカー(例えばリボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子等の毒性マーカー遺伝子)と活性突然変異体RSのプールを第2の生物の複数の細胞に導入し、非天然アミノ酸を加えない第1の培地で生存するが、非天然アミノ酸を加えた第2の培地では生存することができない細胞を選択することにより、非天然アミノ酸に特異的な少なくとも1種の組換えO−RSをもつ生存細胞を提供することを含む。場合により、ネガティブ選択マーカーは2個以上のセレクターコドンを含む。 In another aspect, the step of negatively selecting the pool of active mutant RSs comprises isolating the pool of active mutant RSs from positive selection step (b) and comprising at least one selector codon ( For example, a virulence marker gene such as a ribonuclease barnase gene) and a pool of active mutant RS are introduced into a plurality of cells of the second organism and survived in the first medium without the addition of the unnatural amino acid. Providing viable cells with at least one recombinant O-RS specific for the unnatural amino acid by selecting cells that cannot survive in the second medium supplemented with. In some cases, the negative selectable marker comprises two or more selector codons.

1側面では、ポジティブ選択はポジティブ選択マーカー(例えばCAT遺伝子内にセレクターコドン(例えばアンバー終止コドン)を含むクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子)の抑圧に基づくので、クロラムフェニコールをポジティブ選択圧として適用することができる。更に、非天然アミノ酸の存在下と不在下で本明細書に記載するようなポジティブマーカーとネガティブマーカーの両者としてCAT遺伝子を使用することができる。場合により、セレクターコドンを含むCAT遺伝子をポジティブ選択に使用しネガティブ選択マーカー(例えば、少なくとも1個以上のセレクターコドンを含むバルナーゼ遺伝子等の毒性マーカー)をネガティブ選択に使用する。 In one aspect, positive selection is based on suppression of a positive selection marker (eg, a chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene that includes a selector codon (eg, an amber stop codon) within the CAT gene), so chloramphenicol is positively selected. Can be applied as pressure. Furthermore, the CAT gene can be used as both a positive marker and a negative marker as described herein in the presence and absence of unnatural amino acids. In some cases, a CAT gene containing a selector codon is used for positive selection and a negative selection marker (eg, a toxic marker such as a barnase gene containing at least one selector codon) is used for negative selection.

別の側面では、ポジティブ選択は細胞をアンピシリン耐性にするβ−ラクタマーゼ遺伝子の非必須位置におけるセレクターコドンを抑圧に基づき、ネガティブマーカーとしてリボヌクレアーゼバルナーゼを使用するネガティブ選択を使用する。ペリプラズムに分泌されるβラクタマーゼに対して、CATは細胞質に局在し、更にアンピシリンは殺菌性であるが、クロラムフェニコールは静菌性である。 In another aspect, positive selection uses negative selection using ribonuclease barnase as a negative marker based on repressing a selector codon in a non-essential position of the β-lactamase gene that renders cells resistant to ampicillin. In contrast to β-lactamase secreted into the periplasm, CAT is localized in the cytoplasm, ampicillin is bactericidal, while chloramphenicol is bacteriostatic.

組換えO−RSを更に突然変異させ、選択することができる。1態様では、少なくとも1種の組換え直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)の生産方法は更に(d)少なくとも1種の組換えO−RSを単離する段階と、(e)少なくとも1種の組換えO−RSから誘導される第2組の突然変異O−RSを作製する段階と、(f)O−tRNAを優先的にアミノアシル化することができる突然変異O−RSが得られるまで段階(b)及び(c)を反復する段階を含むことができる。場合により、段階(d)〜(f)を例えば少なくとも約2回反復する。1側面では、第2組の突然変異O−RSは突然変異誘発(例えばランダム突然変異誘発、部位特異的突然変異誘発、組換え又はその組合せ)により作製することができる。 Recombinant O-RS can be further mutated and selected. In one aspect, the method of producing at least one recombinant orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase (O-RS) further comprises (d) isolating at least one recombinant O-RS, and (e) at least one Creating a second set of mutant O-RSs derived from recombinant O-RS and (f) until a mutant O-RS is obtained that is capable of preferentially aminoacylating the O-tRNA. It may include repeating (b) and (c). Optionally, steps (d)-(f) are repeated, for example at least about 2 times. In one aspect, the second set of mutant O-RSs can be generated by mutagenesis (eg, random mutagenesis, site-directed mutagenesis, recombination or a combination thereof).

上記方法における選択段階(例えばポジティブ選択段階(b)、ネガティブ選択段階(c)又はポジティブ選択段階(b)とネガティブ選択段階(c)の両者)のストリンジェンシーは場合により選択ストリンジェンシーの変動を含む。例えば、バルナーゼは極毒性タンパク質であるので、バルナーゼ遺伝子に導入するセレクターコドンの数を変えることによりネガティブセレクターのストリンジェンシーを制御することができる。本発明の1側面では、初期選択で所望活性を低くできるのでストリンジェンシーを変動できる。即ち、初期選択には低ストリンジェンシー選択基準を適用し、後期選択にはよりストリンジェントな基準を適用する。 The stringency of the selection step (eg, positive selection step (b), negative selection step (c), or both positive selection step (b) and negative selection step (c)) in the above method optionally includes variations in selection stringency. . For example, since barnase is a highly toxic protein, the stringency of the negative selector can be controlled by changing the number of selector codons introduced into the barnase gene. In one aspect of the invention, stringency can be varied because the desired activity can be reduced by initial selection. That is, low stringency selection criteria are applied for early selection, and more stringent criteria are applied for late selection.

本発明では例えばO−RS、O−tRNA及びO−tRNA/O−RS対に他の型の選択も使用できる。例えば、ポジティブ選択段階(b)、ネガティブ選択段階(c)又はポジティブ選択段階(b)とネガティブ選択段階(c)の両者はレポーターを使用することができ、レポーターは蛍光活性化細胞ソーティング(FACS)により検出される。例えば、ポジティブ選択マーカー(例えばCAT遺伝子内にセレクターコドン(例えばアンバー終止コドン)を含むクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子)を使用してまずポジティブ選択を行った後にネガティブ選択スクリーニングを行い、ネガティブマーカー(例えばT7RNAポリメラーゼ遺伝子)内の位置でセレクターコドン(例えば2個以上)を抑圧できないものを選択することができる。1態様では、ポジティブ選択マーカーとネガティブ選択マーカーを同一ベクター(例えばプラスミド)に配置することができる。ネガティブマーカーの発現はレポーター(例えばグリーン蛍光タンパク質(GFP))の発現を誘導する。選択とスクリーニングのストリンジェンシーは変動させることができ、例えばレポーターを蛍光発光させるために必要な光強度を変動させることができる。別の態様では、FACによりスクリーニングされるポジティブ選択マーカーとしてレポーターを使用してポジティブ選択を行った後にネガティブ選択スクリーニングを行い、ネガティブマーカー(例えばバルナーゼ遺伝子)内の位置でセレクターコドン(例えば2個以上)を抑圧できないものを選択することができる。 Other types of selection may be used in the present invention, for example for O-RS, O-tRNA and O-tRNA / O-RS pairs. For example, the positive selection step (b), the negative selection step (c) or both the positive selection step (b) and the negative selection step (c) can use a reporter, which is a fluorescence activated cell sorting (FACS) Is detected. For example, a positive selection marker (for example, a chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene containing a selector codon (for example, an amber stop codon) in the CAT gene) is first subjected to positive selection and then negative selection screening is performed. Those that cannot suppress the selector codon (for example, 2 or more) at a position within the marker (for example, T7 RNA polymerase gene) can be selected. In one embodiment, the positive selection marker and the negative selection marker can be placed on the same vector (eg, a plasmid). Negative marker expression induces expression of a reporter (eg, green fluorescent protein (GFP)). The stringency of selection and screening can be varied, for example, the light intensity required to fluoresce the reporter. In another embodiment, a positive selection is performed using a reporter as a positive selection marker to be screened by FAC followed by a negative selection screen and a selector codon (eg, 2 or more) at a position within the negative marker (eg, barnase gene). Can be selected.

場合により、レポーターを細胞表面、ファージディスプレイ等に提示する。細胞表面提示(例えばOmpA細胞表面提示系)は大腸菌細胞表面における特定エピトープ(例えば例えば外膜ポリンOmpAに融合したポリオウイルスCペプチド)の発現に依存する。エピトープは翻訳中にタンパク質メッセージ中のセレクターコドンが抑圧されるときのみに細胞表面に提示される。従って、提示されるペプチドはライブラリー内の突然変異体アミノアシルtRNAシンテターゼの1種により認識されるアミノ酸を含み、特定非天然アミノ酸を含むペプチドに対する抗体を用いて対応するシンテターゼ遺伝子を含む細胞を単離することができる。OmpA細胞表面提示系はファージディスプレイの代用としてGeorgiouらにより開発され、改良された。Francisco,J.A.,Campbell,R.,Iverson,B.L.&Georgoiu,G.Production and fluorescence−activated cell sorting of Escherichiacoli expressing a functional antibody fragment on the external surface.Proc.Natl.Acad.Sci.US A 90:10444−8(1993)参照。 Optionally, the reporter is presented on the cell surface, phage display, etc. Cell surface display (eg, OmpA cell surface display system) relies on the expression of specific epitopes (eg, poliovirus C peptide fused to outer membrane porin OmpA) on the E. coli cell surface. The epitope is presented on the cell surface only when the selector codon in the protein message is suppressed during translation. Thus, the presented peptides contain amino acids recognized by one of the mutant aminoacyl-tRNA synthetases in the library, and the cells containing the corresponding synthetase genes are isolated using antibodies against peptides containing specific unnatural amino acids. can do. The OmpA cell surface display system was developed and improved by Georgio et al. As a substitute for phage display. Francisco, J.A. A. Campbell, R .; Iverson, B .; L. & Georgeou, G. Production and fluorescence-activated cell sorting of Escherichia coli expressing a functional antifragment on the external surface. Proc. Natl. Acad. Sci. See US A 90: 10444-8 (1993).

本発明の他の態様は、選択段階の1段階以上をin vitroで実施することを含む。その後、選択した成分(例えばシンテターゼ及び/又はtRNA)を非天然アミノ酸のin vivo組込みに使用する細胞に導入することができる。 Other aspects of the invention include performing one or more of the selection steps in vitro. The selected components (eg, synthetase and / or tRNA) can then be introduced into cells that are used for in vivo incorporation of unnatural amino acids.

直交tRNAOrthogonal tRNA

直交tRNA(O−tRNA)の組成物も本発明の特徴であり、例えばO−tRNAはセレクターコドンを認識し、O−tRNAは直交アミノアシルtRNAシンテターゼにより非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化される。1態様では、O−tRNAは配列番号4〜34(表5参照)及びその相補的ポリヌクレオチド配列から構成される群から選択されるポリヌクレオチド配列を含む核酸を含む。 Orthogonal tRNA (O-tRNA) compositions are also a feature of the invention, for example, O-tRNA recognizes a selector codon and the O-tRNA is preferentially aminoacylated with an unnatural amino acid by an orthogonal aminoacyl tRNA synthetase. In one aspect, the O-tRNA comprises a nucleic acid comprising a polynucleotide sequence selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 4-34 (see Table 5) and its complementary polynucleotide sequence.

本発明は組換え直交tRNA(O−tRNA)の生産方法も提供する。例えば、所望RSに対するその親和性を維持しながらtRNAの直交性を改善するために、本方法は夫々コグネイトシンテターゼの不在下と存在下で突然変異体サプレッサーtRNAライブラリーを用いたネガティブ選択とポジティブ選択を組合せる。図8参照。ネガティブ選択ではセレクターコドンをマーカー遺伝子(例えばバルナーゼ遺伝子等の毒性遺伝子)の非必須位置に導入する。例えばMethanococcusjannaschiiに由来する突然変異tRNAライブラリーのメンバーが内在宿主(例えば大腸菌)シンテターゼによりアミノアシル化される(即ち宿主、例えば大腸菌シンテターゼに非直交性である)場合には、セレクターコドン(例えばアンバーコドン)が抑圧され、毒性遺伝子産物が生産され、細胞死に至る。直交tRNA又は非機能的tRNAをもつ細胞は生存する。次に、セレクターコドン(例えばアンバーコドン)をポジティブマーカー遺伝子(例えばβ−ラクタマーゼ遺伝子等の薬剤耐性遺伝子)に配置したポジティブ選択で生存細胞を選択する。これらの細胞はコグネイトRSをもつ発現ベクターも含む。これらの細胞を選択物質(例えばアンピシリン)の存在下に増殖させる。次に、同時発現したコグネイトシンテターゼによりアミノアシル化され、このセレクターコドンに応答してアミノ酸を挿入することができるtRNAを選択する。非機能的tRNA又は所期シンテターゼにより認識することができないtRNAを含む細胞は抗生物質に感受性である。従って、(i)内在宿主(例えば大腸菌)シンテターゼの基質でなく、(ii)所期シンテターゼによりアミノアシル化することができ、(iii)翻訳能力のあるtRNAはどちらの選択でも生存する。 The present invention also provides a method for producing recombinant orthogonal tRNA (O-tRNA). For example, in order to improve the tRNA orthogonality while maintaining its affinity for the desired RS, the method uses negative selection and positive with a mutant suppressor tRNA library in the absence and presence of cognate synthetase, respectively. Combine selections. See FIG. In negative selection, a selector codon is introduced into a non-essential position of a marker gene (for example, a toxic gene such as barnase gene). For example, if a member of a mutant tRNA library from Methanococcus jannaschii is aminoacylated by an endogenous host (eg, E. coli) synthetase (ie, non-orthogonal to the host, eg, E. coli synthetase), a selector codon (eg, an amber codon) Is suppressed, toxic gene products are produced, leading to cell death. Cells with orthogonal tRNAs or nonfunctional tRNAs survive. Next, viable cells are selected by positive selection in which a selector codon (for example, amber codon) is arranged in a positive marker gene (for example, a drug resistance gene such as β-lactamase gene). These cells also contain an expression vector with cognate RS. These cells are grown in the presence of a selective substance (eg ampicillin). Next, a tRNA that is aminoacylated by co-expressed cognate synthetase and can insert an amino acid in response to this selector codon is selected. Cells containing non-functional tRNA or tRNA that cannot be recognized by the intended synthetase are sensitive to antibiotics. Thus, (i) it can be aminoacylated with the intended synthetase rather than a substrate of an endogenous host (eg, E. coli) synthetase, and (iii) a translatable tRNA will survive either selection.

組換えO−tRNAの生産方法は、(a)第1の生物に由来する少なくとも1種のtRNA(例えばサプレッサーtRNA)から誘導される突然変異体tRNAのライブラリーを作製する段階と、(b)第1の生物に由来するRSの不在下に第2の生物に由来するアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)によりアミノアシル化される突然変異体tRNAのライブラリーをネガティブ選択することにより突然変異体tRNAのプールを提供する段階と、(c)導入した直交RS(O−RS)によりアミノアシル化されるメンバーを突然変異体tRNAのプールから選択することにより、セレクターコドンを認識し、第2の生物に由来するRSにより効率的に認識されず、O−RSにより優先的にアミノアシル化される少なくとも1種の組換えO−tRNAを提供する段階を含む。1態様では、組換えO−tRNAは改善された直交性をもつ。 A method for producing a recombinant O-tRNA includes the steps of: (a) creating a library of mutant tRNAs derived from at least one tRNA derived from a first organism (eg, a suppressor tRNA); A pool of mutant tRNAs is selected by negatively selecting a library of mutant tRNAs that are aminoacylated by aminoacyl tRNA synthetase (RS) from a second organism in the absence of RS from the first organism. And (c) recognizing the selector codon by selecting from the pool of mutant tRNAs a member that is aminoacylated by the introduced orthogonal RS (O-RS), and RS derived from the second organism At least one recombination that is not efficiently recognized by O-RS and is preferentially aminoacylated by O-RS Comprising providing a O-tRNA. In one aspect, the recombinant O-tRNA has improved orthogonality.

突然変異tRNAのライブラリーを構築する。例えば図9参照。tRNAの所望ループ(例えばアンチコドンループ(Dアーム、Vループ、TΨCアーム)又はループ組合せ又は全ループ)の特定位置(例えば非保存位置又は保存位置)、ランダム位置又は両者の組合せに突然変異を導入することができる。tRNAのキメラライブラリーも本発明に含まれる。場合により各種生物(例えば真正細菌又は始原菌等の微生物)に由来するtRNAシンテターゼのライブラリー(例えば天然ダイバーシティを含むライブラリー)(例えばShortらの米国特許第6,238,884号、Schallenbergerらの米国特許第5,756,316号、Petersenらの米国特許第5,783,431号、Thompsonらの米国特許第5,824,485号、及びShortらの米国特許第5,958,672号参照)を構築して直交対をスクリーニングすることに留意されたい。 A library of mutant tRNAs is constructed. For example, see FIG. Mutation is introduced at a specific position (eg, non-conserved position or conserved position), random position, or a combination of both of the desired loop (eg, anticodon loop (D arm, V loop, TΨC arm) or loop combination or all loops) of tRNA be able to. A tRNA chimeric library is also included in the present invention. Optionally, a library of tRNA synthetases (eg, a library containing natural diversity) derived from various organisms (eg, microorganisms such as eubacteria or protozoa) (eg, Short et al. US Pat. No. 6,238,884, Schallenberger et al. See US Pat. No. 5,756,316, US Pat. No. 5,783,431 to Petersen et al., US Pat. No. 5,824,485 to Thompson et al., And US Pat. No. 5,958,672 to Short et al. Note) to construct orthogonal screens.

1態様では、アミノアシルtRNAシンテターゼによりアミノアシル化される突然変異体RNAのライブラリーをネガティブ選択する段階(段階(b))は、少なくとも1個のセレクターコドンを含む毒性マーカー遺伝子と突然変異体tRNAのライブラリーを第2の生物に由来する複数の細胞に導入し、少なくとも1種の直交tRNA又は非機能的tRNAを含む突然変異体tRNAのプールを含む生存細胞を選択することを含む。例えば、毒性マーカー遺伝子は場合によりリボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子であり、リボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子は少なくとも1個のアンバーコドンを含む。場合により、リボヌクレアーゼバルナーゼ遺伝子に2個以上のアンバーコドンを含むことができる。生存細胞は例えば比較比細胞密度アッセイを使用することにより選択することができる。 In one embodiment, negatively selecting a library of mutant RNAs that are aminoacylated by an aminoacyl-tRNA synthetase (step (b)) comprises the step of Introducing a rally into a plurality of cells derived from a second organism and selecting viable cells comprising a pool of mutant tRNAs comprising at least one orthogonal or non-functional tRNA. For example, the toxic marker gene is optionally a ribonuclease barnase gene, which includes at least one amber codon. Optionally, the ribonuclease barnase gene can include more than one amber codon. Viable cells can be selected, for example, by using a comparative specific cell density assay.

1態様では、導入した直交RS(O−RS)によりアミノアシル化されるメンバーを突然変異体tRNAのプールから選択する段階は、少なくとも1個のセレクターコドンを含む薬剤耐性遺伝子(例えばβラクタマーゼ遺伝子、例えば少なくとも1個のアンバーコドンを含むβラクタマーゼ遺伝子)を含むポジティブ選択マーカー遺伝子と、O−RSと、突然変異体tRNAのプールを第2の生物に由来する複数の細胞に導入し、選択物質(例えば抗生物質)の存在下に増殖した生存細胞を選択することにより、O−RSによりアミノアシル化され、少なくとも1個のセレクターコドンに応答してポジティブマーカー遺伝子によりコードされる翻訳産物にアミノ酸を挿入する少なくとも1種の組換えtRNAをもつ細胞プールを提供することを含む。別の態様では、選択物質濃度を変動させる。本方法により生産された組換えO−tRNAも本発明に含まれる。 In one aspect, selecting a member that is aminoacylated by an introduced orthogonal RS (O-RS) from a pool of mutant tRNAs comprises a drug resistance gene comprising at least one selector codon (eg, a β-lactamase gene, eg, A positive selection marker gene comprising a β-lactamase gene comprising at least one amber codon), an O-RS, and a pool of mutant tRNAs are introduced into a plurality of cells derived from a second organism and a selection agent (eg, By selecting viable cells grown in the presence of (antibiotics), at least one amino acid is inserted into the translation product aminoacylated by O-RS and encoded by the positive marker gene in response to at least one selector codon. Providing a cell pool with one recombinant tRNA Including. In another embodiment, the selected substance concentration is varied. Recombinant O-tRNA produced by this method is also included in the present invention.

O−RSの作製について上述したように、選択段階のストリンジェンシーは変動可能である。更に、本明細書に記載する他の選択/スクリーニング法(例えばFACS、細胞及びファージディスプレイ)も使用できる。 As described above for the production of O-RS, the stringency of the selection stage can vary. In addition, other selection / screening methods described herein (eg, FACS, cell and phage display) can be used.

セレクターコドンSelector codon

本発明のセレクターコドンはタンパク質生合成機構の遺伝コドン枠を拡張する。例えば、セレクターコドンとしては例えばユニーク3塩基コドン、ナンセンスコドン、(例えばアンバーコドン又はオパールコドン等の終止コドン)、非天然コドン、4塩基(以上)のコドン等が挙げられる。例えば1個以上、2個以上、3個以上等の多数のセレクターコドンを所望遺伝子に導入することができる。更に、当然のことながら、こうして複数の異なる(又は類似又は同一の)非天然アミノ酸を(即ち複数のセレクターコドンの使用により)アミノ酸に正確に組込むことができる。 The selector codon of the present invention extends the genetic codon frame of the protein biosynthesis machinery. For example, examples of the selector codon include a unique 3-base codon, a nonsense codon (for example, a stop codon such as an amber codon or an opal codon), a non-natural codon, and a 4-base (or more) codon. For example, a large number of selector codons such as one or more, two or more, three or more can be introduced into a desired gene. Furthermore, it will be appreciated that a plurality of different (or similar or identical) non-natural amino acids can thus be accurately incorporated into amino acids (ie through the use of multiple selector codons).

64種の遺伝コドンは20種のアミノ酸と3種の終止コドンをコードする。翻訳終結には1個の終止コドンしか必要ないので、他の2個は主に非タンパク生産アミノ酸をコードするために使用することができる。アンバー終止コドンであるUAGはinvitro生合成系とアフリカツメガエル卵母細胞で使用して非天然アミノ酸の組込みに成功している。3種の終止コドンのうちでUAGは大腸菌での使用頻度が最も低い終止コドンである。大腸菌株にはUAGを認識して天然アミノ酸を挿入する天然サプレッサーtRNAを含むものもある。更に、これらのアンバーサプレッサーtRNAは慣用タンパク質突然変異誘発でも使用されている。各種はその天然アミノ酸の各コドンを優先的に使用するので、本発明のセレクターコドンの設計/選択には場合によりこのような優先性を利用する。 The 64 genetic codons encode 20 amino acids and 3 stop codons. Since only one stop codon is required for translation termination, the other two can be used primarily to encode non-proteinogenic amino acids. UAG, an amber stop codon, has been successfully incorporated into unnatural amino acids using in vitro biosynthetic systems and Xenopus oocytes. Of the three stop codons, UAG is the least frequently used stop codon in E. coli. Some E. coli strains contain a natural suppressor tRNA that recognizes UAG and inserts a natural amino acid. In addition, these amber suppressor tRNAs are also used in conventional protein mutagenesis. Since each type preferentially uses each codon of its natural amino acid, such preference is sometimes used in the design / selection of the selector codon of the present invention.

本明細書では非天然アミノ酸について記載するが、当然のことながら特定セレクターコドンに応答して天然アミノ酸を組込むために同様のストラテジーを使用することもできる。即ち、本明細書全般に記載する非天然アミノ酸の負荷と同様にセレクターコドンを認識する直交tRNAに天然アミノ酸を負荷するようにシンテターゼを改変することができる。 Although unnatural amino acids are described herein, it will be appreciated that similar strategies can be used to incorporate natural amino acids in response to specific selector codons. That is, a synthetase can be modified to load a natural amino acid into an orthogonal tRNA that recognizes a selector codon, similar to the loading of unnatural amino acids described throughout this specification.

1態様では、本方法は非天然アミノ酸のin vivo組込みに終止コドンであるセレクターコドンを使用する。例えば、終止コドン(例えばUAG)を認識するO−tRNAを作製し、O−RSにより所望非天然アミノ酸でアミノアシル化する。このO−tRNAは天然アミノアシル−tRNAシンテターゼにより認識されない。慣用部位特異的突然変異誘発を使用して終止コドン(例えばTAG)をタンパク質遺伝子内の所期部位に導入することができる。例えばSayers,J.R.,Schmidt,W.Eckstein,F.5',3' Exonuclease in phosphorothioate−basedoligonucleotide−directed mutagenesis.NucleicAcids Res,791−802(1988)参照。O−RS、O−tRNA及び突然変異体遺伝子をinvivo融合すると、UAGコドンに応答して非天然アミノ酸が組込まれ、特定位置に非天然アミノ酸を含むタンパク質が得られる。 In one aspect, the method uses a selector codon that is a stop codon for in vivo incorporation of an unnatural amino acid. For example, an O-tRNA that recognizes a stop codon (eg, UAG) is generated and aminoacylated with the desired unnatural amino acid by O-RS. This O-tRNA is not recognized by the natural aminoacyl-tRNA synthetase. Conventional site-directed mutagenesis can be used to introduce a stop codon (eg, TAG) at a desired site within a protein gene. For example, Sayers, J. et al. R. , Schmidt, W.M. Eckstein, F.M. 5 ', 3' Exonuclease in phosphorothioate-based oligonucleotide-directed mutation. See Nucleic Acids Res, 791-802 (1988). When the O-RS, O-tRNA and mutant gene are fused in vivo, an unnatural amino acid is incorporated in response to the UAG codon, and a protein containing the unnatural amino acid at a specific position is obtained.

非天然アミノ酸のin vivo組込みは宿主(例えば大腸菌)にさほど影響を与えずに行うことができる。例えば、UAGコドンの抑圧効率はO−tRNA(例えばアンバーサプレッサーtRNA)と(UAGコドンに結合してリボソームから増殖ペプチドの放出を開始する)放出因子1(RF1)の競合に依存するので、抑圧効率は例えばO−tRNA(例えばサプレッサーtRNA)の発現レベルを高めるか又はRF1欠損株を使用することにより調節することができる。更に、生物又は生物のゲノムの一部にランダム突然変異誘発を行い、例えば本明細書に記載するレポーター系の1種を使用して適正な選択を実施することにより抑圧効率と非天然アミノ酸取込みを調節することができる。 In vivo incorporation of unnatural amino acids can be done without significantly affecting the host (eg, E. coli). For example, the suppression efficiency of the UAG codon depends on the competition between O-tRNA (eg, amber suppressor tRNA) and release factor 1 (RF1) (which binds to the UAG codon and initiates release of proliferating peptide from the ribosome). Can be regulated, for example, by increasing the expression level of O-tRNA (eg suppressor tRNA) or by using an RF1-deficient strain. In addition, random mutagenesis can be performed on an organism or a portion of the organism's genome, for example, by performing appropriate selection using one of the reporter systems described herein to reduce repression efficiency and unnatural amino acid incorporation. Can be adjusted.

非天然アミノ酸はレアコドンでコードすることもできる。例えば、in vitroタンパク質合成反応でアルギニン濃度を下げると、レアアルギニンコドンAGGはアラニンでアシル化された合成tRNAによるAlaの挿入に有効であることが分かっている。例えばC.H.Ma,W.Kudlicki,O.W.Odom,G.Kramerand B.Hardesty,Biochemistry,32:7939(1993)参照。この場合には、合成tRNAは大腸菌に少量種として存在する天然tRNAArgと競合する。生物によっては全三重項コドンを使用しないものもある。Micrococcusluteusで割り当てられないコドンAGAがin vitro転写/翻訳抽出物へのアミノ酸の挿入に使用されている。例えばA.K.KowalとJ.S.Oliver,Nucl.Acid.Res.,25:4685(1997)参照。本発明の成分はこれらのレアコドンをinvivo使用するために作製することができる。 Unnatural amino acids can also be encoded with rare codons. For example, when the arginine concentration is lowered in an in vitro protein synthesis reaction, it has been found that the rare arginine codon AGG is effective for insertion of Ala by a synthetic tRNA acylated with alanine. For example, C.I. H. Ma, W .; Kudlicki, O .; W. Odom, G.M. Kramerand B. See Hardesty, Biochemistry, 32: 7939 (1993). In this case, the synthetic tRNA competes with the natural tRNA Arg present as a minor species in E. coli. Some organisms do not use all triplet codons. The codon AGA, which is not assigned in Micrococcus luteus, has been used for the insertion of amino acids into in vitro transcription / translation extracts. For example, A. K. Kowal and J.W. S. Oliver, Nucl. Acid. Res. 25: 4685 (1997). The components of the present invention can be made to use these rare codons in vivo.

セレクターコドンは更に4塩基以上のコドン(例えば4、5、6、又は7塩基以上のコドン)も含む。4塩基コドンの例としては例えばAGGA、CUAG、UAGA、CCCU等が挙げられる。5塩基コドンの例としては例えばAGGAC、CCCCU、CCCUC、CUAGA、CUACU、UAGGC等が挙げられる。例えば、突然変異O−tRNA(例えば特殊フレームシフトサプレッサーtRNA)とアンチコドンループ(例えば少なくとも8〜10ntアンチコドンループ)の存在下では、4塩基以上のコドンは単一アミノ酸として読取られる。他の態様では、アンチコドンループは例えば少なくとも4塩基コドン、少なくとも5塩基コドン、又は少なくとも6塩基コドン又はそれ以上をデコードすることができる。4塩基コドンは256種が考えられるので、4塩基以上のコドンを使用すると同一細胞で多重非天然アミノ酸をコードすることができる。J.ChristopherAndersonら,Exploring the Limits of Codon and Anticodon Size,Chemistryand Biology,Vol.9,237−244(2002);Thomas J.Magliery,Expandingthe Genetic Code:Selectionof Efficient Suppressorsof Four−base Codons and Identification of "Shifty" Four−base Codonswith a Library Approach in Escherichiacoli,J.Mol.Biol.307:755−769(2001)も参照されたい。 The selector codon further includes a codon of 4 bases or more (for example, a codon of 4, 5, 6 or 7 bases or more). Examples of 4-base codons include AGGA, CUAG, UAGA, CCCU and the like. Examples of 5-base codons include AGGAC, CCCCU, CCCUC, CUAGA, CUACU, UAGGC and the like. For example, in the presence of a mutant O-tRNA (eg, a special frameshift suppressor tRNA) and an anticodon loop (eg, at least 8-10 nt anticodon loop), a codon of 4 bases or more is read as a single amino acid. In other embodiments, the anticodon loop can decode, for example, at least 4 base codons, at least 5 base codons, or at least 6 base codons or more. Since there are 256 possible 4-base codons, multiple unnatural amino acids can be encoded in the same cell using codons of 4 or more bases. J. et al. Christopher Anderson et al., Exploring the Limits of Codon and Anticodon Size, Chemistry and Biology , Vol. 9, 237-244 (2002); Thomas J. et al. MAGLIARY, Expandingthe Genetic Code: Selection of Efficient Suppressor of the Four Coords and Identification of the Society of Four Affiliations in Japan . Mol. Biol. 307: 755-769 (2001).

本発明の方法はフレームシフト抑圧に基づく拡張コドンを使用する。4塩基以上のコドンは例えば1個又は多数の非天然アミノ酸を同一タンパク質に挿入することができる。例えば、invitro生合成法を使用して非天然アミノ酸をタンパク質に組込むために4塩基コドンが使用されている。例えばC.H.Ma,W.Kudlicki,O.W.Odom,G.Kramerand B.Hardesty,Biochemistry,1993,32,7939(1993);及びT.Hohsaka,D.Kajihara,Y.Ashizuka,H.Murakamiand M.Sisido,J.Am.Chem.Soc.,121:34(1999)参照。2個の化学的にアシル化したフレームシフトサプレッサーtRNAを使用して2−ナフチルアラニンとリジンのNBD誘導体を同時にストレプトアビジンにinvitro組込むためにCGGGとAGGUが使用されている。例えばT.Hohsaka,Y.Ashizuka,H.Sasaki,H.Murakamiand M.Sisido,J.Am.Chem.Soc.,121:12194(1999)参照。invivo研究では、MooreらがNCUAアンチコドンをもつtRNALeu誘導体がUAGNコドンを抑圧できるかどうかを試験し(NはU、A、G又はCであり得る)、四重項UAGAはUCUAアンチコドンをもつtRNALeuにより13から26%の効率でデコードすることができるが、0又は−1フレームでは殆どデコードできないことを見出した。B.Moore,B.C.Persson,C.C.Nelson,R.F.Gestelandand J.F.Atkins,J.Mol.Biol.,298:195(2000)参照。1態様では、本発明ではレアコドン又はナンセンスコドンに基づく拡張コドンを使用し、他の望ましくない部位でのミスセンス読み飛ばしとフレームシフト抑圧を減らすことができる。 The method of the present invention uses extended codons based on frameshift suppression. A codon of 4 or more bases can insert, for example, one or many unnatural amino acids into the same protein. For example, four base codons have been used to incorporate unnatural amino acids into proteins using in vitro biosynthetic methods. For example, C.I. H. Ma, W .; Kudlicki, O .; W. Odom, G.M. Kramerand B. Hardesty, Biochemistry , 1993, 32, 7939 (1993); Hohsaka, D.H. Kajihara, Y. et al. Ashizuka, H .; Murakamiand M. et al. Sisido, J. et al . Am. Chem. Soc. 121: 34 (1999). CGGG and AGGU have been used to incorporate 2-naphthylalanine and NBD derivatives of lysine simultaneously into streptavidin in vitro using two chemically acylated frameshift suppressor tRNAs. For example, T.W. Hohsaka, Y .; Ashizuka, H .; Sasaki, H .; Murakamiand M. et al. Sisido, J. et al. Am. Chem. Soc. 121: 12194 (1999). In an in vivo study, Moore et al. tested whether tRNALeu derivatives with NCUA anticodons can suppress UAGN codons (N can be U, A, G or C), and quartet UAGA is induced by tRNALeu with UCUA anticodon. It was found that decoding can be performed with an efficiency of 13 to 26%, but almost no decoding is possible with 0 or -1 frame. B. Moore, B.M. C. Persson, C.I. C. Nelson, R.A. F. Gestelandand J.M. F. Atkins, J.M. Mol. Biol. 298: 195 (2000). In one aspect, the present invention can use extended codons based on rare or nonsense codons to reduce missense skipping and frameshift suppression at other undesirable sites.

翻訳バイパス系を使用して非天然アミノ酸を所望ポリペプチドに組込むこともできる。1翻訳バイパス系では、大きい配列を遺伝子に挿入するが、タンパク質に翻訳しない。この配列はリボソームに配列を飛び越させて挿入の下流の翻訳を再開するための合図として機能する構造を含む。 Translational bypass systems can also be used to incorporate unnatural amino acids into the desired polypeptide. In one translation bypass system, large sequences are inserted into genes but not translated into proteins. This sequence contains a structure that functions as a cue to cause the ribosome to jump over the sequence and resume translation downstream of the insertion.

非天然アミノ酸をポリペプチドに組込むための他の上記方法の代用又は併用してトランス翻訳系を使用することができる。この系は大腸菌に存在するtmRNAと呼ぶ分子を利用する。このRNA分子はアラニルtRNAに構造的に近縁であり、アラニルシンテターゼによりアミノアシル化される。tmRNAとtRNAの相違はアンチコドンループが特殊な大きい配列で置換されていることである。この配列は鋳型としてtmRNA内でコードされるオープンリーディングフレームを使用して停止した配列でリボソームに翻訳を再開させることができる。本発明では、直交シンテターゼで優先的にアミノアシル化して非天然アミノ酸を負荷することができる直交tmRNAを作製することができる。この系を使用する遺伝子を転写することにより、リボソームは特定部位で停止し、非天然アミノ酸はこの部位に導入され、その後、直交tmRNA内にコードされた配列を使用して翻訳が再開する。 Transtranslation systems can be used in place of or in combination with other above methods for incorporating unnatural amino acids into polypeptides. This system utilizes a molecule called tmRNA present in E. coli. This RNA molecule is structurally related to alanyl tRNA and is aminoacylated by alanyl synthetase. The difference between tmRNA and tRNA is that the anticodon loop is replaced with a special large sequence. This sequence allows the ribosome to resume translation with the sequence stopped using the open reading frame encoded within tmRNA as a template. In the present invention, an orthogonal tmRNA that can be preferentially aminoacylated with an orthogonal synthetase and loaded with an unnatural amino acid can be produced. By transcribing a gene that uses this system, the ribosome stops at a specific site, unnatural amino acids are introduced at this site, and then translation resumes using the sequence encoded in the orthogonal tmRNA.

セレクターコドンは場合により非天然塩基対を含む。これらの非天然塩基対は更に既存遺伝アルファベットを拡張する。塩基対が1個増えると、三重項コドンの数は64から125に増す。3番目の塩基対の性質としては安定的且つ選択的な塩基対合、高い忠実度で効率的なポリメラーゼによるDNAへの酵素組込み、及び新生非天然塩基対の合成後の効率的な連続プライマー伸長が挙げられる。方法と組成物に応用可能な非天然塩基対については、例えばHiraoら,Anunnatural base pairfor incorporating amino acid analoguesinto protein,Nature Biotechnology,20:177−182(2002)に記載されている。他の関連文献は以下に挙げる。 The selector codon optionally includes an unnatural base pair. These unnatural base pairs further extend the existing genetic alphabet. As the number of base pairs increases, the number of triplet codons increases from 64 to 125. The nature of the third base pair is stable and selective base pairing, high fidelity and efficient polymerase incorporation into DNA, and efficient continuous primer extension after synthesis of nascent unnatural base pairs. Is mentioned. Non-natural base pairs applicable to the methods and compositions are described, for example, in Hirao et al., Annual Base Pair Incorporating amino acid analogues protein, Nature Biotechnology , 20: 177-182 (2002). Other relevant literature is listed below.

in vivo使用では、非天然ヌクレオシドは膜透過性であり、リン酸化して対応する三リン酸塩を形成する。更に、増加した遺伝情報は安定しており、細胞酵素により破壊されない。Bennerらによる従来の研究ではカノニカルワトソンクリック対とは異なる水素結合パターンを利用しており、そのうちで最も注目に価する例はイソC:イソG対である。例えばC.Switzer,S.E.Moroneyand S.A.Benner,J.Am.chem.Soc.,111:8322(1989);J.A.Piccirilli,T,Krauch,S.E.Moroneyand S.A.Benner,Nature,1990,343:33(1990);及びE.T.Kool,Curr.Opin.Chem.Biol.,4:602(2000)参照。これらの塩基は一般に天然塩基とある程度ミスペアであり、酵素により複製することができない。Koolらは水素結合の代わりに塩基間の疎水性充填相互作用により塩基対の形成を誘導できることを示した。E.T.Kool,Curr.Opin.Chem.Biol.,4:602(2000);及びK.M.GuckianとE.T.Kool,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.,36,2825(1998)参照。上記全要件を満足する非天然塩基対を開発する試みとして、Schultz,Romerbergらは一連の非天然疎水性塩基を体系的に合成し、試験している。PICS:PICS自己対(図10参照)が天然塩基対よりも安定であることが判明し、大腸菌DNAポリメラーゼIのKlenowフラグメント(KF)によりDNAに効率的に組込むことができる。例えばD.L.McMinn,A.K.Ogawa,Y.Q.Wu,J.Q.Liu,P.G.Schultzand F.E.Romersberg,J.Am.Chem.Soc.,121:11586(1999);及びA.K.Ogawa,Y.Q.Wu,K.L.McMinn,J.Q.Liu,P.G.Schultzand F.E.Romersberg,J.Am.Chem.Soc.,122:3274(2000)参照。生物機能に十分な効率と選択性でKFにより3MN:3MN自己対を合成することができる。例えばA.K.Ogawa,Y.Q.Wu,M.Berger,P.G.Schultzand F.E.Romersberg,J.Am.Chem.Soc.,122:8803(2000)参照。しかし、どちらの塩基も後期複製用チェーンターミネーターとして作用するに止まっている。PICS自己対を複製するために使用できる突然変異体DNAポリメラーゼが最近開発された。更に、7AI自己対も複製できる。例えばE.J.L.Tae,Y.Q.Wu,G.Xia,P.G.Schultzand F.E.Romersberg,J.Am.Chem.Soc.,123:7439(2001)参照。Cu(II)と結合すると安定な対を形成する新規メタロ塩基対Dipic:Pyも開発されている。E.Meggers,P.L.Holland,W.B.Tolman,F.E.Romersbergand P.G.Schultz,J.Am.Chem.Soc.,122:10714(2000)。拡張コドンと非天然コドンは天然コドンに本質的に直交性であるので、本発明の方法はその直交tRNAを作製するためにこの性質を利用することができる。 For in vivo use, the unnatural nucleoside is membrane permeable and is phosphorylated to form the corresponding triphosphate. Furthermore, the increased genetic information is stable and not destroyed by cellular enzymes. Previous work by Benner et al. Utilizes a different hydrogen bonding pattern than the canonical Watson-Crick pair, of which the most notable example is the isoC: isoG pair. For example, C.I. Switzerland, S.A. E. Moroneyand S.M. A. Benner, J. Am. chem. Soc. 111: 8322 (1989); A. Piccirilli, T, Krauch, S .; E. Moroneyand S.M. A. Benner, Nature , 1990, 343: 33 (1990); T.A. Kool, Curr. Opin. Chem. Biol. 4: 602 (2000). These bases are generally somewhat mispaired with natural bases and cannot be replicated by enzymes. Kool et al. Have shown that base pairing can be induced by hydrophobic packing interactions between bases instead of hydrogen bonds. E. T.A. Kool, Curr. Opin. Chem. Biol. 4: 602 (2000); M.M. Guckian and E. T.A. Kool, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 36, 2825 (1998). In an attempt to develop unnatural base pairs that satisfy all of the above requirements, Schultz, Rommerberg et al. Systematically synthesize and test a series of unnatural hydrophobic bases. The PICS: PICS self-pair (see FIG. 10) was found to be more stable than the natural base pair and can be efficiently incorporated into DNA by the Klenow fragment (KF) of E. coli DNA polymerase I. For example, D.C. L. McMinn, A.M. K. Ogawa, Y .; Q. Wu, J .; Q. Liu, P.A. G. Schultzand F.M. E. Romersberg, J. Am. Chem. Soc. 121: 11586 (1999); K. Ogawa, Y .; Q. Wu, K .; L. McMinn, J.M. Q. Liu, P.A. G. Schultzand F.M. E. Romersberg, J. Am. Chem. Soc. 122: 3274 (2000). A 3MN: 3MN self-pair can be synthesized by KF with sufficient efficiency and selectivity for biological function. For example, A. K. Ogawa, Y .; Q. Wu, M .; Berger, P.A. G. Schultzand F.M. E. Romersberg, J. Am. Chem. Soc. 122: 8803 (2000). However, both bases only function as chain terminators for late replication. Mutant DNA polymerases have recently been developed that can be used to replicate PICS self-pairs. In addition, 7AI self-pairs can be replicated. For example, E.I. J. et al. L. Tae, Y .; Q. Wu, G .; Xia, P .; G. Schultzand F.M. E. Romersberg, J. Am. Chem. Soc. 123: 7439 (2001). A novel metallobase pair Dipic: Py has also been developed that forms a stable pair when bound to Cu (II). E. Meggers, P.M. L. Holland, W.M. B. Tolman, F.M. E. Romersbergand P.M. G. Schultz, J.M. Am. Chem. Soc. 122: 10714 (2000). Since extended codons and non-natural codons are essentially orthogonal to natural codons, the method of the present invention can take advantage of this property to create its orthogonal tRNA.

直交tRNAと直交アミノアシルtRNAシンテターゼの対Orthogonal tRNA and orthogonal aminoacyl tRNA synthetase pair

直交対はO−tRNA(例えばサプレッサーtRNA、フレームシフトtRNA等)とO−RSから構成される。O−tRNAは上述のように内在シンテターゼによりアシル化されず、セレクターコドンをデコードすることができる。O−RSは例えば拡張アンチコドンループでO−tRNAを認識し、O−tRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化する。直交対と直交対の組成物の作製方法も本発明に含まれる。多重直交tRNA/シンテターゼ対の開発により、各種コドンを使用して多重非天然アミノ酸を同一ポリペプチド/タンパク質に同時に組込むことが可能になった。 The orthogonal pair is composed of O-tRNA (for example, suppressor tRNA, frameshift tRNA, etc.) and O-RS. O-tRNA is not acylated by endogenous synthetase as described above and can decode the selector codon. O-RS recognizes O-tRNA, for example, in an extended anticodon loop and preferentially aminoacylates the O-tRNA with an unnatural amino acid. A method for producing an orthogonal pair and an orthogonal pair composition is also included in the present invention. The development of multiple orthogonal tRNA / synthetase pairs has made it possible to simultaneously incorporate multiple unnatural amino acids into the same polypeptide / protein using various codons.

本発明において、方法と関連組成物は非天然アミノ酸をタンパク質にin vivo組込むことができる直交対(O−tRNA/O−RS)の作製に関する。例えば、本発明のO−tRNAの組成物は直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)を含むことができる。1態様において、O−tRNAとO−RSは相補的とすることができる(例えば直交O−tRNA/O−RS対)。対の例としてはmutRNATyr−mutTyrRS対(例えばmutRNATyr−SS12TyrRS対)、mutRNALeu−mutLeuRS対、mutRNAThr−mutThrRS対、mutRNAGlu−mutGluRS対等が挙げられる。別の態様において、本発明の直交対は直交tRNA−アミノアシルtRNAシンテターゼ対の所望特性を含み、本発明の対の特性をもたない大腸菌由来mutRNAGln−mutGlnRS、酵母由来mutRNAAsp−mutAspRS又は酵母由来mutRNAPheCUA−mutPheRS以外のものである。 In the present invention, the methods and related compositions relate to the generation of orthogonal pairs (O-tRNA / O-RS) that can incorporate unnatural amino acids into proteins in vivo. For example, an O-tRNA composition of the invention can comprise an orthogonal aminoacyl tRNA synthetase (O-RS). In one embodiment, the O-tRNA and O-RS can be complementary (eg, an orthogonal O-tRNA / O-RS pair). Examples of pairs include mutRNATyr-mutTyrRS pair (for example, mutRNATyr-SS12TyrRS pair), mutRNALeu-mutLeuRS pair, mutRNAThr-mutThrRS pair, mutRNAGlu-mutGluRS pair, and the like. In another embodiment, the orthogonal pair of the present invention comprises the desired properties of an orthogonal tRNA-aminoacyl tRNA synthetase pair, and does not have the properties of the pair of the present invention, mutRNAGln-mutGlnRS derived from E. coli, Other than mutPheRS.

O−tRNAとO−RSは起源と宿主名で記載されている多様な生物に由来する天然tRNA及び/又はRSを突然変異させることにより誘導することができる。1態様において、O−tRNAとO−RSは少なくとも1種の生物に由来する。別の態様では、O−tRNAは第1の生物に由来する天然に存在するか又は突然変異させた天然tRNAを突然変異させることにより誘導し、O−RSは第2の生物に由来する天然に存在するか又は突然変異させた天然RSを突然変異させることにより誘導する。 O-tRNA and O-RS can be derived by mutating native tRNA and / or RS from various organisms described by origin and host name. In one embodiment, the O-tRNA and O-RS are derived from at least one organism. In another aspect, the O-tRNA is derived by mutating a naturally occurring or mutated natural tRNA from a first organism and the O-RS is naturally derived from a second organism. Induced by mutating existing or mutated native RS.

本発明は特異的O−tRNA/O−RS対の作製方法も提供する。これらの方法は直交tRNA/RS対を作製するために試みられた他のストラテジーについて後述する問題を解決する。具体的には、本発明の方法は、(a)第1の生物に由来する少なくとも1種のtRNAから誘導されるtRNAのライブラリーを作製する段階と、(b)第1の生物に由来するRSの不在下で第2の生物に由来するアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)によりアミノアシル化される突然変異体tRNAのライブラリーをネガティブ選択することにより、突然変異体tRNAのプールを提供する段階と、(c)導入した直交RS(O−RS)によりアミノアシル化されるメンバーを突然変異体tRNAのプールから選択することにより、少なくとも1種の組換えO−tRNAを提供する段階を含む。少なくとも1種の組換えO−tRNAはセレクターコドンを認識し、第2の生物に由来するRSにより効率的に認識されず、O−RSにより優先的にアミノアシル化される。本方法は更に、(d)第3の生物に由来する少なくとも1種のアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)から誘導される少なくとも1種の組換えO−tRNARSのライブラリーを作製する段階と、(e)非天然アミノ酸と天然アミノ酸の存在下に少なくとも1種の組換えO−tRNAを優先的にアミノアシル化するメンバーを突然変異体RSのライブラリーから選択することにより、活性突然変異体RSのプールを提供する段階と、(f)非天然アミノ酸の不在下に少なくとも1種の組換えO−tRNAを優先的にアミノアシル化する活性突然変異体RSのプールをネガティブ選択することにより、非天然アミノ酸に特異的な少なくとも1種の組換えO−RSと少なくとも1種の組換えO−tRNAを含む少なくとも1種の特異的O−tRNA/O−RS対を提供する段階を含む。本発明の方法により生産された対も本発明に含まれる。 The present invention also provides a method for producing a specific O-tRNA / O-RS pair. These methods solve the problems discussed below for other strategies that have been attempted to create orthogonal tRNA / RS pairs. Specifically, the method of the present invention comprises (a) creating a library of tRNAs derived from at least one tRNA derived from a first organism, and (b) originating from the first organism. Providing a pool of mutant tRNAs by negatively selecting a library of mutant tRNAs that are aminoacylated by an aminoacyl tRNA synthetase (RS) from a second organism in the absence of RS; c) providing at least one recombinant O-tRNA by selecting from the pool of mutant tRNAs a member that is aminoacylated by the introduced orthogonal RS (O-RS). At least one recombinant O-tRNA recognizes the selector codon, is not efficiently recognized by the RS from the second organism, and is preferentially aminoacylated by the O-RS. The method further comprises (d) creating a library of at least one recombinant O-tRNARS derived from at least one aminoacyl-tRNA synthetase (RS) from a third organism; (e) Providing a pool of active mutant RSs by selecting from the library of mutant RSs members that preferentially aminoacylate at least one recombinant O-tRNA in the presence of the unnatural amino acid and the natural amino acid And (f) specific for unnatural amino acids by negatively selecting a pool of active mutant RSs that preferentially aminoacylate at least one recombinant O-tRNA in the absence of unnatural amino acids. At least one specific O-t comprising at least one recombinant O-RS and at least one recombinant O-tRNA Comprising providing a NA / O-RS pair. Pairs produced by the method of the present invention are also included in the present invention.

既存大腸菌tRNA/シンテターゼ対からの直交tRNA/シンテターゼ対の作製は従来試みられている。この方法は他のシンテターゼに対する直交性と翻訳能力を維持しながらtRNA−シンテターゼ界面のヌクレオチドを突然変異させることによりそのコグネイトシンテターゼに対するtRNAの親和性を失わせる。出発鋳型としてコグネイト野生型シンテターゼを使用し、組換え直交tRNAのみを認識する突然変異体シンテターゼを得る。tRNAGln2と複合化した大腸菌グルタミニル−tRNAシンテターゼ(GlnRS)のX線結晶構造分析によると、GlnRSと特異的に接触する3個の部位(「ノブ」)がtRNAGln2で同定された。例えばD.R.Liu,T.J.Maglieryand P.G.Schultz,Chem.Biol.,4:685(1997);及びD.R.Liu,T.J.Magliery,M.Pastrnakand P.G.Schultz,Proc.Natl.Acac.Sci.US A,94:10092(1997)参照。これらの部位をtRNAで突然変異させ、ノブ1、2及び3の可能な全組合せを含む突然変異体サプレッサーtRNAを作製し、GlnRSによるinvitroアミノアシル化とコリスミン酸ムターゼのアンバー突然変異体のin vitro抑圧により個々に試験した。全3個のノブの突然変異をもつ突然変異体tRNA(O−tRNA)は全内在大腸菌シンテターゼと直交性であり、翻訳能力があることが判明した。次に、DNAシャフリングとオリゴヌクレオチド誘導突然変異誘発を複数回実施して突然変異体GlnRSのライブラリーを作製した。大腸菌株BT235を使用してこれらの突然変異体酵素がO−tRNAをinvivoアシル化する能力について選択した。突然変異体GlnRSがO−tRNAにグルタミンを負荷する場合のみにlacZのゲノムアンバーコドンを抑圧することができ、BT235細胞はラクトース最少培地で増殖することができる。各選択後に生存している数個の突然変異体シンテターゼを精製し、invitroアッセイした。野生型(wt)tRNAGlnアシル化と突然変異体シンテターゼによるO−tRNAアシル化の比は複数回の選択後に有意に低下した。他方、野生型大腸菌tRNAGln2よりも効率的にO−tRNAに負荷する突然変異体大腸菌GlnRSは得られなかった。7回のDNAシャフリングと選択後に得られた最良の突然変異体は野生型tRNAGlnの9分の1の率でしかO−tRNAをアシル化しない。しかし、野生型tRNAが非天然アミノ酸で誤ってアシル化されると致死性表現型となる可能性があるので、これらの実験は所望特性をもつシンテターゼ候補(例えば野生型tRNAをアシル化しないシンテターゼ)を生産することができなかった。更に、tRNA内の突然変異はアミノアシル化と翻訳の両者に関して複雑で非付加的方法で相互作用する。D.R.Liu,T.J.Maglieryand P.G.Schultz,Chem.Biol.,4:685(1997)参照。従って、所望特性をもつ機能的対を提供するには一般に代替方法が使用されている。 Attempts have been made in the past to produce orthogonal tRNA / synthetase pairs from existing E. coli tRNA / synthetase pairs. This method loses the affinity of a tRNA for its cognate synthetase by mutating the nucleotide at the tRNA-synthetase interface while maintaining orthogonality and translational ability to other synthetases. Using a cognate wild type synthetase as a starting template, a mutant synthetase that recognizes only recombinant orthogonal tRNA is obtained. X-ray crystallographic analysis of E. coli glutaminyl-tRNA synthetase (GlnRS) complexed with tRNAGln2 identified three sites (“knobs”) that specifically contact GlnRS with tRNAGln2. For example, D.C. R. Liu, T .; J. et al. Magrieryand P.M. G. Schultz, Chem. Biol. 4: 685 (1997); R. Liu, T .; J. et al. Magliay, M .; Pastrakand P.M. G. Schultz, Proc. Natl. Acac. Sci. USA A , 94: 10092 (1997). These sites were mutated with tRNA to generate mutant suppressor tRNAs containing all possible combinations of knobs 1, 2 and 3, in vitro aminoacylation by GlnRS and in vitro suppression of amber mutants of chorismate mutase Individually tested. Mutant tRNA with all three knob mutations (O-tRNA) was found to be orthogonal to all endogenous E. coli synthetases and capable of translation. Next, DNA shuffling and oligonucleotide-induced mutagenesis were performed multiple times to generate a library of mutant GlnRS. E. coli strain BT235 was used to select for the ability of these mutant enzymes to in vivo acylate O-tRNA. The mutant GlnRS can suppress the genomic amber codon of lacZ only when the O-tRNA is loaded with glutamine, and BT235 cells can grow in lactose minimal medium. Several mutant synthetases surviving after each selection were purified and assayed in vitro. The ratio of wild-type (wt) tRNAGln acylation to O-tRNA acylation by mutant synthetases was significantly reduced after multiple selections. On the other hand, mutant E. coli GlnRS that loads O-tRNA more efficiently than wild type E. coli tRNAGln2 was not obtained. The best mutant obtained after 7 rounds of DNA shuffling and selection only acylates O-tRNA at a rate 9 times lower than wild-type tRNAGln. However, since wild-type tRNAs can be lethal phenotypes when accidentally acylated with unnatural amino acids, these experiments are candidates for synthetases with the desired properties (eg, synthetases that do not acylate wild-type tRNAs). Could not be produced. Furthermore, mutations in tRNA interact in a complex and non-additive manner with respect to both aminoacylation and translation. D. R. Liu, T .; J. et al. Magrieryand P.M. G. Schultz, Chem. Biol. 4: 685 (1997). Therefore, alternative methods are generally used to provide functional pairs with desired characteristics.

直交tRNA/シンテターゼ対を作製する第2のストラテジーは別の生物に由来するtRNA/シンテターゼ対を大腸菌に導入する。異種シンテターゼ候補の性質としては、例えば大腸菌tRNAに負荷しない等が挙げられ、異種tRNA候補の性質としては、例えば大腸菌シンテターゼによりアシル化されない等が挙げられる。更に、異種tRNAから誘導されるサプレッサーtRNAは全大腸菌シンテターゼに直交性である。Schimmelらは大腸菌GlnRS(EcGlnRS)がSaccharomycescerevisiae tRNAGlnをアシル化しないことを報告した(EcGlnRSはSaccharomycescerevisiae GlnRS(ScGlnRS)がもつN末端RNS結合ドメインをもたない)。E.F.WhelihanとP.Schimmel,EMBOJ.,16:2968(1997)参照。その後、SaccharomycescerevisiaeアンバーサプレッサーtRNAGln(SctRNAGlnCUA)を分析し、同様にEcGlnRSの基質でないか否かを調べた。invitroアミノアシル化アッセイによるとその通りであり、in vitro抑圧試験によるとSctRNAGlnCUAは翻訳能力がある。例えばD.R.LiuとP.G.Schultz,Proc.Natl.Acad.Sci.US A,96:4780(1999)参照。ScGlnRSがin vitroで大腸菌tRNAをアシル化せず、SctRNAGlnCUAのみをアシル化することも判明した。ScGlNRSが大腸菌でSctRNAGlnCUAをアミノアシル化する程度もinvivo相補アッセイにより評価された。アンバーナンセンス突然変異がβラクタマーゼ遺伝子の許容部位に導入された。アンバーサプレッサーtRNAによる突然変異の抑圧は全長βラクタマーゼを生じ、細胞にアンピシリン耐性を付与するはずである。SctRNAGlnCUAのみが発現される場合に細胞は20μg/mLアンピシリンのIC50を示し、内在大腸菌シンテターゼによるアシル化が殆どないことを示し、SctRNAGlnCUAがScGlnRSと同時発現される場合には細胞は約500μg/mLアンピシリンのIC50を獲得し、ScGlnRSが大腸菌でSctRNAGlnCUAを効率的にアシル化することを示す。D.R.LiuとP.G.Schultz,Proc.Natl.Acad.Sci.US A,96:4780(1999)参照。Saccharomyces cerevisiae tRNAGlnCUA/GlnRSは大腸菌に直交性である。 A second strategy for creating an orthogonal tRNA / synthetase pair introduces a tRNA / synthetase pair from another organism into E. coli. Examples of the property of the heterologous synthetase candidate include not loading E. coli tRNA, and examples of the property of the heterologous tRNA candidate include that the heterologous tRNA candidate is not acylated by, for example, E. coli synthetase. Furthermore, suppressor tRNAs derived from heterologous tRNAs are orthogonal to total E. coli synthetase. Schimmel et al. Reported that E. coli GlnRS (EcGlnRS) does not acylate Saccharomyces cerevisiae tRNAGln (EcGlnRS also has an N-terminal RNS binding domain with Saccharomyces cerevisiae GlnRS (ScGlnRS)). E. F. Welihan and P.W. Schimmel, EMBOJ. 16: 2968 (1997). Thereafter, Saccharomyces cerevisiae amber suppressor tRNAGln (SctRNAGlnCUA) was analyzed to determine whether it was also a substrate of EcGlnRS. This is true according to the in vitro aminoacylation assay, and according to the in vitro suppression test, SctRNAGlnCUA is capable of translation. For example, D.C. R. Liu and P.M. G. Schultz, Proc. Natl. Acad. Sci. USA A , 96: 4780 (1999). It has also been found that ScGlnRS does not acylate E. coli tRNA in vitro, but only ScTRNAGlnCUA. The extent to which ScGlNRS aminoacylated SctRNAGlnCUA in E. coli was also assessed by in vivo complementation assay. An amber nonsense mutation was introduced into the permissive site of the β-lactamase gene. Suppression of the mutation by the amber suppressor tRNA should result in full-length β-lactamase, conferring ampicillin resistance to the cell. When only SctRNAGlnCUA is expressed, the cell shows an IC 50 of 20 μg / mL ampicillin, indicating little acylation by endogenous E. coli synthetase, and when SctRNAGlnCUA is co-expressed with ScGlnRS, the cell is about 500 μg / mL An ampicillin IC 50 was obtained, indicating that ScGlnRS efficiently acylates ScTRNAGlnCUA in E. coli. D. R. Liu and P.M. G. Schultz, Proc. Natl. Acad. Sci. USA A , 96: 4780 (1999). Saccharomyces cerevisiae tRNAGlnCUA / GlnRS is orthogonal to E. coli.

その後、このストラテジーはtRNAAsp /AspRS系に応用された。Saccharomyces cerevisiae tRNAAspは大腸菌シンテターゼに直交性であることが知られている。例えばB.P.DoctorとJ.A.Mudd,J.Biol.Chem.,238:3677(1963);及びY.KwokとJ.T.Wong,Can.J.Biochem.,58:213(1980)参照。上記invivoβラクタマーゼアッセイによると、これ(SctRNAAspCUA)に由来するアンバーサプレッサーtRNAも大腸菌で直交性であることが分かった。他方、tRNAAspのアンチコドンはAspRSの必須認識エレメントであり(例えばR.Giege,C.Florentz,D.Kern,J.Gangloff,G.Erianiand D.Moras,Biochimie,78:605(1996)参照)、このアンチコドンをCUAに突然変異させるとAspRSに対するサプレッサーの親和性が失われる。大腸菌AspRSE93K突然変異体は野生型AspRSよりもほぼ一桁良好に大腸菌アンバーサプレッサーtRNAAspCUAを認識することが判明した。例えばF.Martin,'Thesis' ,Universite Louis Pasteur,Strasbourg,France,1995参照。Saccharomycescerevisiae AspRS(E188K)に関連突然変異を導入するとSctRNAAspCUAに対するその親和性は回復すると予想された。invitroアミノアシル化実験によると、Saccharomyces cerevisiae AspRS(E188K)突然変異体は大腸菌tRNAをアシル化しないが、中程度の効率でSctRNAAspCUAに負荷することが判明した。例えばM.Pastrnak,T.J.Maglieryand P.G.Schultz,Helv.Chim.Acta,83:2277(2000)参照。SctRNAAspCUA/ScAspRS(E188K)は大腸菌で別の直交対として機能できるが、活性は弱い。 This strategy was then applied to the tRNA Asp / AspRS system. Saccharomyces cerevisiae tRNA Asp is known to be orthogonal to E. coli synthetase. For example, B. P. Doctor and J.M. A. Mudd, J.M. Biol. Chem. 238: 3677 (1963); Kwok and J.W. T.A. Wong, Can. J. et al. Biochem. 58: 213 (1980). According to the above in vivo β-lactamase assay, it was found that the amber suppressor tRNA derived from this (SctRNAAspCUA) is also orthogonal in E. coli. On the other hand, the anticodon of tRNA Asp is an essential recognition element of AspRS (see, for example, R. Giege, C. Fluorentz, D. Kern, J. Gangloff, G. Erianian D. Moras, Biochimie , 78: 605 (1996)). Mutating this anticodon to CUA loses the affinity of the suppressor for AspRS. The E. coli AspRSE93K mutant was found to recognize the E. coli amber suppressor tRNAAspCUA almost an order of magnitude better than wild type AspRS. For example, F.R. See Martin, 'Thesis', University Louis Pasteur, Strasbourg, France, 1995. It was expected that introduction of related mutations into Saccharomyces cerevisiae AspRS (E188K) would restore its affinity for SctRNAAspCUA. In vitro aminoacylation experiments showed that the Saccharomyces cerevisiae AspRS (E188K) mutant did not acylate E. coli tRNA but loaded SctRNAAspCUA with moderate efficiency. For example, M.M. Pastrnak, T .; J. et al. Magrieryand P.M. G. Schultz, Helv. Chim. Acta , 83: 2277 (2000). SctRNAAspCUA / ScAspRS (E188K) can function as another orthogonal pair in E. coli but is less active.

同様のアプローチとして、直交シンテターゼとして異種シンテターゼを使用するが、直交tRNAとしては同一生物又は近縁生物の突然変異体イニシエーターtRNAを使用する方法がある。RajBhandaryらはヒトイニシエーターtRNAfMetのアンバー突然変異体がEcGlNRSを同時発現させる場合のみに大腸菌GlnRSによりアシル化され、酵母細胞でアンバーサプレッサーとして機能することを発見した。A.K.Kowal,C.Kohrerand U.L.RajBhandary,Proc.Natl.Acad.Sci.US A,98:2268(2001)参照。即ち、この対は酵母で使用される直交対である。また、大腸菌シンテターゼに対して不活性な大腸菌イニシエーターtRNAfMetアンバー突然変異体も発見された。この突然変異体tRNAに負荷する突然変異体酵母TyrRSを選択し、大腸菌で直交対を得た。A.K.Kowalら(2001)前出参照。 A similar approach is to use a heterologous synthetase as the orthogonal synthetase, but the orthogonal tRNA uses a mutant initiator tRNA from the same or a related organism. RajBhandary et al. Found that the amber mutant of human initiator tRNAfMet was acylated by E. coli GlnRS only when co-expressing EcGlNRS and functioned as an amber suppressor in yeast cells. A. K. Kowal, C.I. Kohlerand U. L. RajBhandary, Proc. Natl. Acad. Sci. USA A , 98: 2268 (2001). That is, this pair is an orthogonal pair used in yeast. An E. coli initiator tRNAfMet amber mutant that was inactive against E. coli synthetase was also discovered. Mutant yeast TyrRS loaded to this mutant tRNA was selected and an orthogonal pair was obtained in E. coli. A. K. See Kowal et al. (2001) supra.

原核生物と真核生物のtRNATyr/TyrRS対には有意な差があり、原核tRNATyrのアイデンティティーエレメントは長い可変アームを含むが、真核tRNATyrのアームは短い。更に、真核tRNATyrはC1:G72ポジティブ認識エレメントを含むが、原核tRNATyrはこのようなコンセンサス塩基対をもたない。invitro試験によると、Saccharomyces cerevisiaeとヒトのtRNATyrは細菌シンテターゼによりアミノアシル化することができず、そのTyrRSが細菌tRNAをアミノアシル化しないことも分かった。例えばK.Wakasugi,C.L.Quinn,N.Taoand P.Schimmel,EMBO J.,17:297(1998);及びT.A.Kleeman,D.Wei,K.L.Simpsonand E.A.First,J.Biol.Chem.,272:14420(1997)参照。しかし、これらの直交性の有望な全特徴にも拘わらず、invivoβラクタマーゼ相補アッセイによると、Saccharomycescerevisiaeとヒトのいずれに由来するアンバーサプレッサーtRNATyrCUAも大腸菌で直交性でないことが判明した。例えばL.Wang,T.J.Magliery,D.R.Liuand P.G.Schultz,J.Am.Chem.Soc.,122:5010(2000)参照。サプレッサーtRNAを大腸菌シンテターゼによりアシル化できるか否かはアンチコドンの単一ヌクレオチドの変異(G34→C34)による。 There is a significant difference between prokaryotic and eukaryotic tRNATyr / TyrRS pairs, the identity element of prokaryotic tRNATyr contains a long variable arm, but the arm of eukaryotic tRNATyr is short. Furthermore, eukaryotic tRNATyr contains a C1: G72 positive recognition element, whereas prokaryotic tRNATyr does not have such a consensus base pair. In vitro studies have also shown that Saccharomyces cerevisiae and human tRNATyr cannot be aminoacylated by bacterial synthetases, and that TyrRS does not aminoacylate bacterial tRNA. For example, K.K. Wakasugi, C.I. L. Quinn, N .; Taoand P. Schimmel, EMBO J. et al. 17: 297 (1998); A. Kleeman, D .; Wei, K .; L. Simpsonand E.M. A. First, J. et al. Biol. Chem. 272: 14420 (1997). However, despite all these promising features of orthogonality, the in vivo β-lactamase complementation assay revealed that the amber suppressor tRNATyrCUA from either Saccharomyces cerevisiae or human was not orthogonal in E. coli. For example, L.M. Wang, T .; J. et al. Magliay, D.M. R. Liuand P. G. Schultz, J.M. Am. Chem. Soc. 122: 5010 (2000). Whether the suppressor tRNA can be acylated by E. coli synthetase depends on a single nucleotide mutation (G34 → C34) of the anticodon.

本発明の方法を使用して上記所望対及び対の成分を進化させ、所望特性、例えばO−tRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化できるという特性をもつ直交tRNA/シンテターゼ対を作製する。 The method of the present invention is used to evolve the desired pair and the components of the pair to create an orthogonal tRNA / synthetase pair with the desired properties, such as the ability to preferentially aminoacylate O-tRNA with unnatural amino acids.

資源及び宿主生物Resources and host organisms

例えば少なくとも第1の生物又は同一でも異なっていてもよい少なくとも2種の生物に由来する直交tRNA−RS対は各種宿主生物(例えば第2の生物)で使用することができる。本発明の方法の第1の生物と第2の生物は同一でも異なっていてもよい。1態様では第1の生物は例えばMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Halobacterium、Escherichiacoli、A.fulgidus、Halobacterium、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix、T.thermophilus等の原核生物である。あるいは、第1の生物は例えば植物(例えば単子葉植物又は双子葉植物等の複雑な植物)、藻類、原生動物、真菌類(例えば酵母等)、動物(例えば哺乳動物、昆虫、節足動物等)等の真核生物でもよい。別の態様では、第2の生物はMethanococcusjannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum、Halobacterium、Escherichiacoli、A.fulgidus、Halobacterium、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix、T.thermophilus等の原核生物である。あるいは、第2の生物は例えば植物、真菌類、動物等の真核生物でもよい。 For example, orthogonal tRNA-RS pairs from at least a first organism or at least two organisms that may be the same or different can be used in various host organisms (eg, a second organism). The first organism and the second organism of the method of the present invention may be the same or different. In one embodiment, the first organism is, for example, Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum, Halobacterium, Escherichia coli, A. et al. fulgidus, Halobacterium, P. et al. furiosus, P.M. horikoshii, A.H. pernix, T .; It is a prokaryotic organism such as thermophilus. Alternatively, the first organism is, for example, a plant (eg, a complex plant such as a monocotyledonous plant or a dicotyledonous plant), an algae, a protozoan, a fungus (eg, a yeast), an animal (eg, a mammal, an insect, an arthropod, etc.) Eukaryotic organisms such as In another aspect, the second organism is Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum, Halobacterium, Escherichia coli, A. et al. fulgidus, Halobacterium, P. et al. furiosus, P.M. horikoshii, A.H. pernix, T .; It is a prokaryotic organism such as thermophilus. Alternatively, the second organism may be a eukaryote such as a plant, fungus, animal or the like.

上述のように、対の各成分は同一生物に由来するものでも異なる生物に由来するものでもよい。例えば、tRNAは例えば始原菌(例えばMethanococcusjannaschii及びHalobacterium NRC−1)又は真正細菌(例えば大腸菌)等の原核生物に由来し、シンテターゼは同一又は異なる原核生物(例えばMethanococcusjannaschii、Archaeroglobus fulgidus、Methanobacteriumthermoautotrophicum、P.furiosus、P.horikoshii、A.pernix、T.thermophilus、Halobacterium、Escherichiacoli等)に由来するものとすることができる。例えば植物(例えば単子葉植物又は双子葉植物等の複雑な植物)、藻類、原生動物、真菌類(例えば酵母等)、動物(例えば哺乳動物、昆虫、節足動物等)等の真核源も使用できる。 As mentioned above, each component of the pair may be from the same organism or from different organisms. For example, tRNA is derived from prokaryotes such as protozoa (eg, Methanococcus jannaschii and Halobacterium NRC-1) or eubacteria (eg, E. coli), and synthetases are the same or different prokaryotes (eg, , P. horikoshii, A. pernix, T. thermophilus, Halobacterium, Escherichia coli, etc.). For example, eukaryotic sources such as plants (for example, complex plants such as monocotyledonous plants or dicotyledonous plants), algae, protozoa, fungi (for example, yeast), animals (for example, mammals, insects, arthropods, etc.) Can be used.

第2の生物のin vivo翻訳系で使用するための直交tRNA−tRNAシンテターゼ対の選択方法も本発明に含まれる。本方法はマーカー遺伝子と、tRNAと、第1の生物から単離又は誘導されるアミノアシル−tRNAシンテターゼ(RS)を第2の生物に由来する第1組の細胞に導入する段階と、マーカー遺伝子とtRNAを第2の生物に由来する複製組の細胞に導入する段階と、第1組と複製組の細胞を選択物質の存在下に増殖させ、第1組では生存するが、複製組では生存することができない細胞を選択し、第2の生物のinvivo翻訳系で使用するための直交tRNA−tRNAシンテターゼ対を含む生存細胞を提供する段階を含む。1態様では、比較と選択はinvivo相補アッセイを含む。別の態様では選択物質濃度を変動させる。 A method of selecting an orthogonal tRNA-tRNA synthetase pair for use in an in vivo translation system of a second organism is also included in the present invention. The method comprises introducing a marker gene, a tRNA, and an aminoacyl-tRNA synthetase (RS) isolated or derived from the first organism into a first set of cells derived from the second organism, the marker gene, introducing a tRNA into a replicating set of cells derived from a second organism, and allowing the first and replicating set of cells to grow in the presence of a selective agent, surviving in the first set but surviving in the replicating set. Selecting cells that are not capable of providing and providing viable cells comprising an orthogonal tRNA-tRNA synthetase pair for use in an in vivo translation system of a second organism. In one aspect, the comparison and selection includes an in vivo complementation assay. In another embodiment, the selected substance concentration is varied.

例えば、シンテターゼに対するtRNAの認識部位であるアイデンティティーエレメントが存在する場所に基づいてtRNA/シンテターゼ対を選択することができる。例えば、アイデンティティーエレメントがアンチコドンの外側にある場合にtRNA/シンテターゼ対を選択する(例えば始原菌Methanococcusjannaschiiに由来するtRNATyr/TyrRS対)。このTyrRSはそのtRNATyrのアンチコドンループと結合する非保存ドメインの大半を欠失しているが、G1:C72をもつtRNAからC1:G72をもつtRNAを識別することができる。更に、MethanococcusjannaschiiTyrRS(MjTyrRS)はSaccharomyces cerevisiaeをアミノアシル化するが、大腸菌天然tRNAをアミノアシル化しない。例えばB.A.SteerとP.Schimmel,J.Biol.Chem.,274:35601(1999)参照。少なくとも1個のセレクターコドンをもつレポーター遺伝子(例えばβラクタマーゼ遺伝子)を含む発現ベクターを使用するin vivo相補アッセイによると、Methanococcus jannaschiitRNATyrCUA(MjtRNATyrCUA)のみを発現する細胞はIC50=55μg/mLアンピシリンまで生存し、MjtRNATyrCUAとそのTyrRSを同時発現する細胞はIC50=1220μg/mLアンピシリンまで生存する。MjtRNATyrCUAは大腸菌でSctRNAGlnCUA(IC50=20μg/mL)よりも直交性が低いが、MjTyrRSはそのコグネイトアンバーサプレッサーtRNAに対するアミノアシル化活性が高い。例えばL.Wang,T.J.Magliery,D.R.Liuand P.G.Schultz,J.Am.Chem.Soc.,122:5010(2000)参照。その結果、Methanococcusjannaschii/TyrRSは大腸菌で直交対であるとみなされ、in vivo翻訳系で使用するのに選択することができる。 For example, a tRNA / synthetase pair can be selected based on where an identity element that is a tRNA recognition site for synthetase is present. For example, a tRNA / synthetase pair is selected when the identity element is outside the anticodon (eg, a tRNATyr / TyrRS pair from the protozoan Methanococcus jannaschii). Although this TyrRS lacks most of the non-conserved domain that binds to the anticodon loop of its tRNATyr, it can distinguish tRNAs with C1: G72 from tRNAs with G1: C72. Furthermore, Methanococcus jannaschiiTyrRS (MjTyrRS) aminoacylates Saccharomyces cerevisiae but does not aminoacylate E. coli native tRNA. For example, B. A. Steer and P.M. Schimmel, J.M. Biol. Chem. 274: 35601 (1999). Cells expressing only Methanococcus jannaschitRNATyrCUA (MjtRNATyrCUA) survive to IC 50 = 55 μg / mL ampicillin according to an in vivo complementation assay using an expression vector comprising a reporter gene (eg, β-lactamase gene) with at least one selector codon However, cells that co-express MjtRNATyrCUA and its TyrRS survive to IC 50 = 1220 μg / mL ampicillin. MjtRNATyrCUA is less orthogonal than SctRNAGlnCUA (IC 50 = 20 μg / mL) in E. coli, but MjTyrRS has higher aminoacylation activity against its cognate amber suppressor tRNA. For example, L.M. Wang, T .; J. et al. Magliay, D.M. R. Liuand P. G. Schultz, J. et al. Am. Chem. Soc. 122: 5010 (2000). As a result, Methanococcus jannaschii / TyrRS is considered to be an orthogonal pair in E. coli and can be selected for use in an in vivo translation system.

非天然アミノ酸Unnatural amino acid

本発明の方法では多様な非天然アミノ酸を使用することができる。非天然アミノ酸は非天然アミノ酸の所望特性(例えば非天然アミノ酸の機能)に基づいて選択することができ、例えば毒性、生体分布又は半減期、構造的性質、分光学的性質、化学及び/又は光化学的性質、触媒性質、他の分子との(例えば共有又は非共有)反応性等のタンパク質の生物学的性質を改変する機能が挙げられる。 A variety of unnatural amino acids can be used in the methods of the invention. Unnatural amino acids can be selected based on the desired properties of the unnatural amino acid (eg, the function of the unnatural amino acid), eg, toxicity, biodistribution or half-life, structural properties, spectroscopic properties, chemistry and / or photochemistry Functions that modify the biological properties of a protein, such as chemical properties, catalytic properties, and reactivity with other molecules (eg, covalently or non-covalently).

本明細書において非天然アミノ酸とはセレノシステインと20種の遺伝的にコードされるαアミノ酸(即ちアラニン、アルギニン、アスパラギン、アスパラギン酸、システイン、グルタミン、グルタミン酸、グリシン、ヒスチジン、イソロイシン、ロイシン、リジン、メチオニン、フェニルアラニン、プロリン、セリン、スレオニン、トリプトフアン、チロシン、バリン)以外の任意アミノ酸、改変アミノ酸又はアミノ酸類似体を意味する。αアミノ酸の一般構造は式I:

により表される。非天然アミノ酸は一般に式Iをもつ任意構造であり、式中、R基は20種の天然アミノ酸で使用されている以外の任意置換基である。20種の天然アミノ酸の構造については、例えばL.Stryer著Biochemistry,第3版,1988,Freemanand Company,New Yorkを参照されたい。本発明の非天然アミノ酸は上記20種のαアミノ酸以外の天然化合物でもよいことに留意されたい。本発明の非天然アミノ酸は一般に側鎖のみが天然アミノ酸と異なるので、本発明の非天然アミノ酸は天然タンパク質で形成されると同様に他のアミノ酸(例えば天然又は非天然アミノ酸)とアミド結合を形成する。他方、非天然アミノ酸は天然アミノ酸と異なる側鎖基をもつ。例えば、式I中のRは場合によりアルキル、アリール、アシル、ケト、アジド、ヒドロキシル、ヒドラジン、シアノ、ハロ、ヒドラジド、アルケニル、アルキニル、エーテル、チオール、セレノ、スルホニル、硼酸、ボロン酸、ホスホ、ホスホノ、ホスフィン、複素環、エノン、イミン、アルデヒド、エステル、チオ酸、ヒドロキシルアミン、アミノ基等又はその任意組合せを含む。他の該当非天然アミノ酸としては、光架橋基を含むアミノ酸、スピンラベル付きアミノ酸、蛍光アミノ酸、金属結合性アミノ酸、金属含有アミノ酸、放射性アミノ酸、新規官能基をもつアミノ酸、他の分子と共有又は非共有的に相互作用するアミノ酸、フォトケージド及び/又は光異性化可能なアミノ酸、ビオチン又はビオチン類似体含有アミノ酸、グリコシル化アミノ酸(例えば糖鎖置換セリン)、他の糖鎖修飾アミノ酸、ケト含有アミノ酸、ポリエチレングリコール又はポリエーテルを含むアミノ酸、重原子置換アミノ酸、化学分解性又は光分解性アミノ酸、天然アミノ酸に比較して延長側鎖(例えばポリエーテル又は例えば炭素長が約5もしくは約10を越える長鎖炭化水素)をもつアミノ酸、炭素結合糖含有アミノ酸、レドックス活性アミノ酸、アミノチオ酸含有アミノ酸、及び1個以上の毒性部分を含むアミノ酸が挙げられるが、これらに限定されない。
As used herein, unnatural amino acid refers to selenocysteine and 20 genetically encoded α-amino acids (ie, alanine, arginine, asparagine, aspartic acid, cysteine, glutamine, glutamic acid, glycine, histidine, isoleucine, leucine, lysine, lysine, It means any amino acid, modified amino acid or amino acid analog other than methionine, phenylalanine, proline, serine, threonine, tryptophan, tyrosine, valine). The general structure of α-amino acids is of the formula I:

Is represented by Unnatural amino acids are generally arbitrary structures having the formula I, wherein the R group is an optional substituent other than those used in the 20 natural amino acids. For the structure of the 20 natural amino acids, see, for example, L.I. See Stryer, Biochemistry, 3rd edition, 1988, Freemanand Company, New York. It should be noted that the non-natural amino acid of the present invention may be a natural compound other than the above 20 α-amino acids. Since the non-natural amino acids of the present invention generally differ from natural amino acids only in the side chain, the non-natural amino acids of the present invention form amide bonds with other amino acids (eg, natural or non-natural amino acids) in the same way as they are formed with natural proteins. To do. On the other hand, unnatural amino acids have side chain groups different from natural amino acids. For example, R in formula I is optionally alkyl, aryl, acyl, keto, azide, hydroxyl, hydrazine, cyano, halo, hydrazide, alkenyl, alkynyl, ether, thiol, seleno, sulfonyl, boric acid, boronic acid, phospho, phosphono , Phosphine, heterocycle, enone, imine, aldehyde, ester, thioacid, hydroxylamine, amino group and the like or any combination thereof. Other relevant non-natural amino acids include amino acids containing photocrosslinkable groups, spin-labeled amino acids, fluorescent amino acids, metal-binding amino acids, metal-containing amino acids, radioactive amino acids, amino acids with novel functional groups, shared or non-shared with other molecules. Covalently interacting amino acids, photocaged and / or photoisomerizable amino acids, biotin or biotin analog-containing amino acids, glycosylated amino acids (eg glycosylated serines), other sugar-modified amino acids, keto-containing amino acids, Amino acids including polyethylene glycols or polyethers, heavy atom substituted amino acids, chemically or photodegradable amino acids, extended side chains compared to natural amino acids (eg polyethers or long chains having a carbon length of for example about 5 or more than about 10) Amino acids with hydrocarbons), amino acids containing carbon-bonded sugars, redox activity Amino acids, amino thioacid containing amino acids, and amino acids containing one or more toxic moiety include, but are not limited to.

新規側鎖を含む非天然アミノ酸に加え、非天然アミノ酸は場合により例えば式II及びIII:

の構造により表されるような修飾主鎖構造を含み、式中、Zは一般にOH、NH2 、SH、NH−R' 又はS−R' を含み、XとYは同一でも異なっていてもよく、一般にS又はOであり、RとR'は場合により同一又は異なり、一般に式Iをもつ非天然アミノ酸について上記に記載したR基と同一の基及び水素から選択される。例えば、本発明の非天然アミノ酸は場合により式II及びIIにより表されるようにアミノ又はカルボキシル基に置換を含む。この種の非天然アミノ酸としては、例えば20種の共通天然アミノ酸に対応する側鎖又は非天然側鎖をもつα−ヒドロキシ酸、α−チオ酸、α−アミノチオカルボキシレートが挙げられるが、これらに限定されない。更に、α−炭素の置換は場合によりL、D又はα,α−ジ置換アミノ酸(例えばD−グルタミン酸、D−アラニン、D−メチル−O−チロシン、アミノ酪酸等)を含む。他の構造としては環状アミノ酸(例えばプロリン類似体や、3、4、6、7、8及び9員環プロリン類似体)、β及びγアミノ酸(例えば置換β−アラニン及びγ−アミノ酪酸)が挙げられる。
In addition to unnatural amino acids containing new side chains, unnatural amino acids are optionally selected, for example, from Formulas II and III:

Wherein Z generally includes OH, NH 2 , SH, NH—R ′ or S—R ′, and X and Y may be the same or different. Often, it is generally S or O, and R and R 'are optionally the same or different and are generally selected from the same groups and hydrogens as described above for the unnatural amino acids having Formula I. For example, the unnatural amino acids of the present invention optionally contain substitutions in the amino or carboxyl groups as represented by Formulas II and II. Examples of this type of unnatural amino acid include α-hydroxy acids, α-thioacids, α-aminothiocarboxylates having side chains corresponding to 20 types of common natural amino acids or unnatural side chains. It is not limited to. Further, the α-carbon substitution optionally includes L, D or α, α-disubstituted amino acids (eg, D-glutamic acid, D-alanine, D-methyl-O-tyrosine, aminobutyric acid, etc.). Other structures include cyclic amino acids (eg proline analogues, 3, 4, 6, 7, 8 and 9 membered ring proline analogues), β and γ amino acids (eg substituted β-alanine and γ-aminobutyric acid). It is done.

例えば、多数の非天然アミノ酸は天然アミノ酸(例えばチロシン、グルタミン、フェニルアラニン等)に由来する。チロシン類似体としてはパラ置換チロシン、オルト置換チロシン、及びメタ置換チロシンが挙げられ、置換チロシンはアセチル基、ベンゾイル基、アミノ基、ヒドラジン、ヒドロキシルアミン、チオール基、カルボキシ基、イソプロピル基、メチル基、C6−C20直鎖又は分枝鎖炭化水素、飽和又は不飽和炭化水素、O−メチル基、ポリエーテル基、ニトロ基等を含む。更に、多重置換アリール環も考えられる。本発明のグルタミン類似体としてはα−ヒドロキシ誘導体、γ置換誘導体、環状誘導体及びアミド置換グルタミン誘導体が挙げられるが、これらに限定されない。フェニルアラニン類似体の例としてはヒドロキシ基、メトキシ基、メチル基、アリル基、アセチル基等を置換基に含むメタ置換フェニルアラニンか挙げられるが、これらに限定されない。非天然アミノ酸の特定例としてはO−メチル−L−チロシン、L−3−(2−ナフチル)アラニン、3−メチルフェニルアラニン、O−4−アリル−L−チロシン、4−プロピル−L−チロシン、トリ−O−アセチル−GlcNAcβ−セリン、L−Dopa、フッ素化フェニルアラニン、イソプロピル−L−フェニルアラニン、p−アジド−L−フェニルアラニン、p−アシル−L−フェニルアラニン、p−ベンゾイル−L−フェニルアラニン、L−ホスホセリン、ホスホノセリン、ホスホノチロシン、p−ヨードフェニルアラニン、p−ブロモフェニルアラニン、p−アミノ−L−フェニルアラニン、及びイソプロピル−L−フェニルアラニン等が挙げられるが、これらに限定されない。各種非天然アミノ酸の構造を図(例えば図29、30及び31)に示す。 For example, many unnatural amino acids are derived from natural amino acids (eg, tyrosine, glutamine, phenylalanine, etc.). Tyrosine analogs include para-substituted tyrosine, ortho-substituted tyrosine, and meta-substituted tyrosine, where substituted tyrosine is acetyl, benzoyl, amino, hydrazine, hydroxylamine, thiol, carboxy, isopropyl, methyl, C 6 -C 20 straight chain or branched chain hydrocarbon, saturated or unsaturated hydrocarbon, O-methyl group, polyether group, nitro group and the like are included. In addition, multiple substituted aryl rings are also contemplated. The glutamine analogs of the present invention include, but are not limited to, α-hydroxy derivatives, γ-substituted derivatives, cyclic derivatives and amide-substituted glutamine derivatives. Examples of phenylalanine analogs include, but are not limited to, meta-substituted phenylalanine containing a hydroxy group, methoxy group, methyl group, allyl group, acetyl group or the like as a substituent. Specific examples of unnatural amino acids include O-methyl-L-tyrosine, L-3- (2-naphthyl) alanine, 3-methylphenylalanine, O-4-allyl-L-tyrosine, 4-propyl-L-tyrosine, Tri-O-acetyl-GlcNAcβ-serine, L-Dopa, fluorinated phenylalanine, isopropyl-L-phenylalanine, p-azido-L-phenylalanine, p-acyl-L-phenylalanine, p-benzoyl-L-phenylalanine, L- Examples include, but are not limited to, phosphoserine, phosphonoserine, phosphonotyrosine, p-iodophenylalanine, p-bromophenylalanine, p-amino-L-phenylalanine, and isopropyl-L-phenylalanine. The structures of various unnatural amino acids are shown in the figures (for example, FIGS. 29, 30 and 31).

一般に、本発明の非天然アミノ酸は20種の天然アミノ酸では得られない付加特性を提供するように選択又は設計される。例えば、非天然アミノ酸は場合により(例えばこれらのアミノ酸を組込む)タンパク質の生物学的性質を改変するように設計又は選択される。例えば、非天然アミノ酸をタンパク質に組込むことにより、場合により毒性、生体分布、溶解度、安定性(例えば熱、加水分解、酸化、酵素耐性、分解等)、精製と処理し易さ、構造的性質、分光学的性質、化学及び/又は光化学的性質、触媒活性、酸化還元電位、半減期、他の分子との(例えば共有又は非共有)反応性等の性質を改変する。 In general, the unnatural amino acids of the present invention are selected or designed to provide additional properties not available with the 20 natural amino acids. For example, unnatural amino acids are optionally designed or selected to modify the biological properties of the protein (eg, incorporating these amino acids). For example, by incorporating unnatural amino acids into proteins, in some cases, toxicity, biodistribution, solubility, stability (eg, heat, hydrolysis, oxidation, enzyme resistance, degradation, etc.), ease of purification and processing, structural properties, Alter properties such as spectroscopic properties, chemical and / or photochemical properties, catalytic activity, redox potential, half-life, reactivity with other molecules (eg, covalent or non-covalent).

非天然アミノ酸の更に詳細な説明は参考資料として本明細書に組込む2002年4月19日付け対応出願(発明の名称" In vivo Incorporation of Unnatural Amino Acids"
,代理人整理番号54−000120PC/US)に記載されている。
A more detailed description of the unnatural amino acids is incorporated herein by reference as of April 19, 2002, which is incorporated herein by reference (Title of Invention “In vivo Information of Universal Amino Acids”).
, Agent reference number 54-000120PC / US).

突然変異体tRNA及びO−RS及びO−tRNA/O−RS対の使用Use of mutant tRNA and O-RS and O-tRNA / O-RS pairs

本発明の組成物と本発明の方法により生産された組成物は場合により細胞に組込む。その後、本発明のO−tRNA/O−RS対又は個々の成分を宿主系の翻訳機構で使用し、非天然アミノ酸をタンパク質に組込むことができる。対応特許出願(発明の名称"In vivo Incorporation of Unnatural Amino Acids" ,代理人整理番号54−000120PC/US,発明者Schultzら)はこの方法について記載しており、参考資料として本明細書に組込む。例えば、O−tRNA/O−RS対を宿主(例えば大腸菌)に導入すると、対は外部から増殖培地に添加可能な非天然アミノ酸(例えばO−メチル−L−チロシン等の合成アミノ酸)をセレクターコドン(例えばアンバーナンセンスコドン)に応答してタンパク質(例えばジヒドロ葉酸レダクターゼやEPO等の治療用タンパク質)にinvivo組込むことができる。場合により、本発明の組成物をin vitro翻訳系又はinvivo系に組込むこともできる。 The compositions of the invention and the compositions produced by the methods of the invention are optionally incorporated into cells. The O-tRNA / O-RS pairs or individual components of the present invention can then be used in the host system's translation machinery to incorporate unnatural amino acids into the protein. A corresponding patent application (invention title “In vivo Information of Universal Amino Acids”, Attorney Docket No. 54-000120PC / US, Inventor Schultz et al.) Describes this method and is incorporated herein by reference. For example, when an O-tRNA / O-RS pair is introduced into a host (for example, E. coli), the pair converts an unnatural amino acid (for example, a synthetic amino acid such as O-methyl-L-tyrosine) that can be externally added to the growth medium into a selector codon. In response to (eg, an amber nonsense codon), it can be incorporated into a protein (eg, a therapeutic protein such as dihydrofolate reductase or EPO) in vivo. In some cases, the compositions of the present invention can be incorporated into in vitro translation systems or in vivo systems.

核酸及びポリペプチド配列変異体Nucleic acid and polypeptide sequence variants

上記及び下記に記載するように、本発明は核酸ポリヌクレオチド配列及びポリペプチドアミノ酸配列(例えばO−tRNA及びO−RS)と、例えば前記配列を含む組成物と方法を提供する。前記配列(例えばO−tRNA及びO−RS)の例を本明細書に開示する。しかし、当業者に自明の通り、本発明は本明細書(例えば実施例)に開示する配列に限定されない。当業者に自明の通り、本発明は本明細書に記載する機能をもつ(例えば(例えばO−tRNA又はO−RSをコードする))多数の非関連配列も提供する。 As described above and below, the present invention provides nucleic acid polynucleotide sequences and polypeptide amino acid sequences (eg, O-tRNA and O-RS), and compositions and methods comprising, for example, the sequences. Examples of such sequences (eg, O-tRNA and O-RS) are disclosed herein. However, as will be apparent to those skilled in the art, the present invention is not limited to the sequences disclosed herein (eg, the Examples). As will be appreciated by those skilled in the art, the present invention also provides a number of unrelated sequences having the functions described herein (eg, encoding O-tRNA or O-RS).

同様に当業者に自明の通り、開示配列の多数の変異体も本発明に含まれる。例えば、機能的に同一配列である開示配列の保存変異も本発明に含まれる。少なくとも1種の開示配列にハイブリダイスする核酸ポリヌクレオチド配列の変異体も本発明に含むものとする。例えば標準配列比較法により本明細書に開示する配列のユニークサブ配列であるとみなされる配列も本発明に含まれる。 Similarly, those skilled in the art will appreciate that numerous variants of the disclosed sequences are also included in the present invention. For example, conservative variations of the disclosed sequences that are functionally identical sequences are also included in the present invention. Variants of nucleic acid polynucleotide sequences that hybridize to at least one disclosed sequence are also intended to be included in the present invention. For example, sequences that are considered to be unique subsequences of the sequences disclosed herein by standard sequence comparison methods are also included in the invention.

保存変異Conservation mutation

遺伝コードの縮重により、「サイレント置換」(即ちコードされるポリペプチドに変化を生じない核酸配列の置換)はアミノ酸をコードする全核酸配列の暗黙の特徴である。同様に、「保存アミノ酸置換」はアミノ酸配列中の1又は数個のアミノ酸を高度に類似する特性をもつ別のアミノ酸で置換するものであり、このような置換も開示構築物と高度に類似するとは自明である。各開示配列のこのような保存変異は本発明の1つの特徴である。 Due to the degeneracy of the genetic code, “silent substitution” (ie, replacement of a nucleic acid sequence that does not change the encoded polypeptide) is an implicit feature of the entire nucleic acid sequence encoding the amino acid. Similarly, a “conservative amino acid substitution” is one in which one or several amino acids in an amino acid sequence are replaced with another amino acid having highly similar properties, and such a substitution is also highly similar to the disclosed construct. It is self-explanatory. Such conservative variations of each disclosed sequence are a feature of the invention.

特定核酸配列の「保存変異」とは同一又は本質的に同一のアミノ酸配列をコードする核酸を意味し、核酸がアミノ酸配列をコードしない場合には本質的に同一の配列を意味する。当業者に自明の通り、コードされる配列中の単一アミノ酸又は低百分率(一般に5%未満、より一般には4%、2%又は1%未満)のアミノ酸を置換、付加又は欠失させる個々の置換、欠失又は付加の結果としてアミノ酸1個を欠失するか、アミノ酸1個が付加するか、又はアミノ酸1個が化学的に類似するアミノ酸1個で置換される場合には、これらの改変は「保存改変変異」である。従って、本発明に示すポリペプチド配列の「保存変異」はポリペプチド配列のアミノ酸の低百分率、一般に5%未満、より一般には2%又は1%未満を同一保存置換基の保存可能に選択したアミノ酸で置換する置換を含む。最後に、非機能的配列の付加のように核酸分子のコードされる活性を変えない配列の付加も基本核酸の保存変異である。 A “conservative mutation” of a specific nucleic acid sequence refers to a nucleic acid that encodes the same or essentially the same amino acid sequence, and refers to an essentially identical sequence if the nucleic acid does not encode an amino acid sequence. As will be apparent to those skilled in the art, a single amino acid or a low percentage (generally less than 5%, more usually less than 4%, 2% or 1%) of amino acids in the encoded sequence are substituted, added or deleted. If one amino acid is deleted as a result of substitution, deletion or addition, one amino acid is added, or one amino acid is replaced with one chemically similar amino acid, these modifications Is a “conservatively modified mutation”. Thus, a “conservative variation” of a polypeptide sequence as shown in the present invention is a low percentage amino acid of the polypeptide sequence, generally less than 5%, more generally less than 2% or 1% selected to conservably conserve the same conserved substituent. Includes substitutions that are replaced with. Finally, the addition of sequences that do not alter the encoded activity of the nucleic acid molecule, such as the addition of non-functional sequences, is also a conservative variation of the basic nucleic acid.

表1 − 保存置換基
Table 1-Conservative substituents

核酸ハイブリダイゼーションNucleic acid hybridization

比較ハイブリダイゼーションを使用して(本発明の核酸の保存変異を含む)本発明の核酸を同定することができ、この比較ハイブリダイゼーション法は本発明の核酸を識別する好適な方法である。更に、高、超高及び超々高ストリンジェンシー条件下で配列番号1〜3又は配列番号4〜34(表5参照)に示す核酸とハイブリダイズするターゲット核酸も本発明の1つの特徴である。このような核酸の例としては所定核酸配列と比較して1又は数個のサイレント又は保存核酸置換をもつものが挙げられる。 Comparative hybridization can be used to identify nucleic acids of the present invention (including conservative variations of the nucleic acids of the present invention), and this comparative hybridization method is a preferred method for identifying nucleic acids of the present invention. Furthermore, target nucleic acids that hybridize to the nucleic acids shown in SEQ ID NOs: 1-3 or SEQ ID NOs: 4-34 (see Table 5) under high, ultra-high and ultra-high stringency conditions are also a feature of the invention. Examples of such nucleic acids include those having one or several silent or conserved nucleic acid substitutions compared to a given nucleic acid sequence.

完全にマッチする相補的ターゲットに比較して少なくとも1/2の割合でプローブにハイブリダイズする場合、即ちマッチしないターゲット核酸の任意のものとのハイブリダイゼーションに観測されるシグナル対ノイズ比の少なくとも約5倍〜10倍で完全にマッチするプローブが完全にマッチする相補的ターゲットと結合する条件下におけるプローブとターゲットのハイブリダイゼーションに比較してシグナル対ノイズ比が少なくとも1/2である場合に試験核酸はプローブ核酸に特異的にハイブリダイズすると言う。 At least about 5 of the signal to noise ratio observed when hybridizing to a probe at a rate of at least 1/2 compared to a perfectly matched complementary target, i.e., hybridization to any of the unmatched target nucleic acids. A test nucleic acid has a signal-to-noise ratio of at least ½ compared to probe-target hybridization under conditions where a probe that perfectly matches 10 to 10 times binds to a perfectly matched complementary target It is said to specifically hybridize to the probe nucleic acid.

核酸は一般に溶液中で会合するときに「ハイブリダイズ」する。核酸は水素結合、溶媒排除、塩基スタッキング等の種々の十分に特性決定された物理化学的力によりハイブリダイズする。核酸ハイブリダイゼーションの詳しい手引きはTijssen(1993)LaboratoryTechniques in Biochemistryand Molecular Biology− Hybridization withNucleic Acid Probespart I,chapter 2,"Overview of principles of hybridizationand the strategyof nucleic acid probe assays,"
(Elsevier,New York)及びAusubel,前出に記載されている。
HamesとHiggins(1995)Gene Probes 1 IRLPress at Oxford University Press,Oxford,英国(HamesとHiggins 1)及びHamesとHiggins(1995)Gene Probes 2 IRLPress at Oxford University Press,Oxford,英国(HamesとHiggins 2)はDNAとRNA(オリゴヌクレオチドを含む)の合成、標識、検出及び定量について詳細に記載している。
Nucleic acids generally “hybridize” when they associate in solution. Nucleic acids hybridize by various well-characterized physicochemical forces such as hydrogen bonding, solvent exclusion, base stacking, and the like. Detailed guide to the hybridization of nucleic acids is Tijssen (1993) LaboratoryTechniques in Biochemistryand Molecular Biology- Hybridization withNucleic Acid Probespart I, chapter 2, "Overview of principles of hybridizationand the strategyof nucleic acid probe assays,"
(Elsevier, New York) and Ausubel, supra.
Hames and Higgins (1995) Gene Probes 1 IRLPpress at Oxford University Press, Oxford, UK (Hames and Higgins 1 U), Hames and Higgins (1995) Gene Probes 2 IR It describes in detail the synthesis, labeling, detection and quantification of DNA and RNA (including oligonucleotides).

サザン又はノーザンブロットでフィルター上で100を越える相補的残基をもつ相補的核酸のハイブリダイゼーションを行うためのストリンジェントハイブリダイゼーション条件の1例は、50%ホルマリンにヘパリン1mgを加え、42℃で一晩のハイブリダイゼーションである。ストリンジェント洗浄条件の1例は65℃、0.2×SSCで15分間である(SSC緩衝液の説明についてはSambrook,前出参照)。多くの場合には高ストリンジェンシー洗浄の前に低ストリンジェンシー洗浄でバックグラウンドプローブシグナルを除去する。低ストリンジェンシー洗浄の1例は40℃、2×SSCで15分間である。一般に、シグナル対ノイズ比が特定ハイブリダイゼーションアッセイで非関連プローブに観測されるよりも5倍(以上)である場合に特異的ハイブリダイゼーションが検出されたとみなす。 An example of stringent hybridization conditions for hybridizing complementary nucleic acids with more than 100 complementary residues on a filter by Southern or Northern blots is the addition of 1 mg of heparin to 50% formalin and one at 42 ° C. An evening hybridization. An example of stringent wash conditions is 65 ° C. and 0.2 × SSC for 15 minutes (see Sambrook, supra for an explanation of SSC buffer). In many cases, the background probe signal is removed with a low stringency wash prior to a high stringency wash. An example of a low stringency wash is 40 ° C., 2 × SSC for 15 minutes. In general, it is considered that specific hybridization has been detected when the signal to noise ratio is five times (or greater) than observed for unrelated probes in a particular hybridization assay.

サザン及びノーザンハイブリダイゼーション等の核酸ハイブリダイゼーション実験に関して「ストリンジェントハイブリダイゼーション洗浄条件」は配列依存的であり、種々の環境パラメーターにより異なる。核酸ハイブリダイゼーションの詳しい手引きはTijssen(1993),前出やHamesとHiggins1及び2に記載されている。ストリンジェントハイブリダイゼーション及び洗浄条件は任意試験核酸について経験により容易に決定することができる。例えば、高ストリンジェントハイブリダイゼーション及び洗浄条件を決定するには、総合選択基準に合致するまで(例えばハイブリダイゼーション又は洗浄における温度上昇、塩濃度低下、界面活性剤濃度増加及び/又はホルマリン等の有機溶媒濃度増加により)ハイブリダイゼーション及び洗浄条件を漸増させる。例えば、マッチしないターゲットとプローブのハイブリダイゼーションに観測されるシグナル対ノイズ比の少なくとも約5倍でプローブが完全にマッチする相補的ターゲットと結合するまでハイブリダイゼーション及び洗浄条件を漸増させる。 For nucleic acid hybridization experiments such as Southern and Northern hybridizations, “stringent hybridization wash conditions” are sequence dependent and vary with various environmental parameters. Detailed guidance on nucleic acid hybridization is described in Tijsssen (1993), supra, and Hames and Higgins 1 and 2. Stringent hybridization and wash conditions can be readily determined empirically for any test nucleic acid. For example, to determine high stringency hybridization and wash conditions, organic solvents such as increased temperature, reduced salt concentration, increased surfactant concentration, and / or formalin, for example, until hybridization or washing conditions are met. Increase hybridization and wash conditions (by increasing concentration). For example, the hybridization and wash conditions are gradually increased until the probe binds to a perfectly matched complementary target at least about 5 times the signal to noise ratio observed for unmatched target-probe hybridization.

「超ストリンジェント」条件は特定プローブの熱融点(Tm )に等しくなるように選択する。Tm は(規定イオン強度及びpH下で)試験配列の50%が完全にマッチするプローブとハイブリダイズする温度である。本発明の趣旨では、一般に規定イオン強度及びpHで特定配列のTmよりも約5℃低くなるように「高ストリンジェント」ハイブリダイゼーション及び洗浄条件を選択する。 “Very stringent” conditions are selected to be equal to the thermal melting point (T m ) of a particular probe. T m is the temperature at which 50% of the test sequence hybridizes with a perfectly matched probe (under defined ionic strength and pH). For the purposes of the present invention, “high stringency” hybridization and wash conditions are generally selected to be about 5 ° C. lower than the T m of the specific sequence at a defined ionic strength and pH.

「超高ストリンジェンシー」ハイブリダイゼーション及び洗浄条件は完全にマッチする相補的ターゲット核酸とプローブを結合させる場合のシグナル対ノイズ比がマッチしないターゲット核酸の任意のものとのハイブリダイゼーションに観測されるシグナル対ノイズ比の少なくとも10倍になるまでハイブリダイゼーション及び洗浄条件のストリンジェンシーを増す条件である。完全にマッチする相補的ターゲットのシグナル対ノイズ比の少なくとも1/2で前記条件下でプローブとハイブリダイズする場合にターゲット核酸は超高ストリンジェンシー条件下でプローブと結合すると言う。 "Ultra high stringency" hybridization and wash conditions are observed for hybridization between a perfectly matched complementary target nucleic acid and any target nucleic acid that does not match the signal to noise ratio when binding the probe. Conditions that increase stringency of hybridization and washing conditions until at least 10 times the noise ratio. A target nucleic acid is said to bind to a probe under ultra high stringency conditions when it hybridizes with the probe under the above conditions at a signal to noise ratio of at least 1/2 of a perfectly matched complementary target.

同様に、該当ハイブリダイゼーションアッセイのハイブリダイゼーション及び/又は洗浄条件を漸増させることにより更に高いレベルのストリンジェンシーを決定することもできる。例えば、完全にマッチする相補的ターゲット核酸とプローブを結合させる場合のシグナル対ノイズ比がマッチしないターゲット核酸の任意のものとのハイブリダイゼーションに観測されるシグナル対ノイズ比の少なくとも10倍、20倍、50倍、100倍又は500倍以上になるまでハイブリダイゼーション及び洗浄条件のストリンジェンシーを増す。完全にマッチする相補的ターゲットのシグナル対ノイズ比の少なくとも1/2で前記条件下でプローブとハイブリダイズする場合にターゲット核酸は超々高ストリンジェンシー条件下でプローブと結合すると言う。 Similarly, even higher levels of stringency can be determined by gradually increasing the hybridization and / or wash conditions of the relevant hybridization assay. For example, at least 10 times, 20 times the signal-to-noise ratio observed in hybridization with any target nucleic acid that does not match the signal-to-noise ratio when binding the probe to a perfectly matched complementary target nucleic acid, Increase the stringency of hybridization and wash conditions until 50-fold, 100-fold, or 500-fold or greater. A target nucleic acid is said to bind to a probe under ultra-high stringency conditions when it hybridizes with the probe under the above conditions at a signal to noise ratio of at least one-half of a perfectly matched complementary target.

ストリンジェント条件下で相互にハイブリダイズしない核酸でも、これらの核酸によりコードされるポリペプチドが実質的に同一である場合には実質的に同一である。これは、例えば遺伝コードに許容される最大コドン縮重を使用して核酸のコピーを作製する場合に該当する。 Nucleic acids that do not hybridize to each other under stringent conditions are substantially the same if the polypeptides encoded by these nucleic acids are substantially identical. This is the case, for example, when making a copy of a nucleic acid using the maximum codon degeneracy permitted by the genetic code.

ユニークサブ配列Unique subarray

1側面では、本発明は本明細書に開示するO−tRNA及びO−RSの配列(例えば配列番号1〜3又は配列番号4〜34(表5参照))から選択される核酸にユニークサブ配列を含む核酸を提供する。ユニークサブ配列は任意公知O−tRNA及びO−RS核酸配列に対応する核酸に比較してユニークである。例えばデフォルトパラメーターに設定したBLASTを使用してアラインメントを実施することができる。任意ユニークサブ配列は例えば本発明の核酸を同定するためのプローブとして有用である。 In one aspect, the invention provides a unique subsequence for a nucleic acid selected from the sequences of O-tRNA and O-RS disclosed herein (eg, SEQ ID NO: 1-3 or SEQ ID NO: 4-34 (see Table 5)). A nucleic acid comprising Unique subsequences are unique compared to nucleic acids corresponding to any known O-tRNA and O-RS nucleic acid sequences. For example, alignment can be performed using BLAST set to default parameters. Any unique subsequence is useful, for example, as a probe to identify the nucleic acids of the invention.

同様に、本発明は本明細書に開示するO−RSの配列(例えば配列番号35〜66(表5参照))から選択されるポリペプチド中にユニークサブ配列を含むポリペプチドを含む。この場合には、ユニークサブ配列は公知ポリペプチド配列の任意のものに対応するポリペプチドに比較してユニークである。 Similarly, the invention includes a polypeptide comprising a unique subsequence in a polypeptide selected from the sequences of O-RS disclosed herein (eg, SEQ ID NOs: 35-66 (see Table 5)). In this case, the unique subsequence is unique compared to a polypeptide corresponding to any of the known polypeptide sequences.

本発明はO−RSの配列から選択されるポリペプチド中のユニークサブ配列をコードするユニークコーディングオリゴヌクレオチドとストリンジェント条件下でハイブリダイズするターゲット核酸も提供し、この場合、ユニークサブ配列は対照ポリペプチド(例えば本発明のシンテターゼを得るために例えば突然変異させた親配列)の任意のものに対応するポリペプチドに比較してユニークである。ユニーク配列は上記のように決定する。 The invention also provides a target nucleic acid that hybridizes under stringent conditions with a unique coding oligonucleotide that encodes a unique subsequence in a polypeptide selected from a sequence of O-RS, wherein the unique subsequence is a control poly Unique compared to a polypeptide corresponding to any of the peptides (eg, the parent sequence mutated to obtain the synthetase of the invention, for example). The unique sequence is determined as described above.

配列比較、一致度及び相同度Sequence comparison, identity and homology

2種以上の核酸又はポリペプチド配列に関して「一致」又は「一致度」百分率なる用語は2種以上の配列又はサブ配列を最大限に対応するように対比及び整列させ、以下に記載する配列比較アルゴリズム(又は当業者に入手可能な他のアルゴリズム)の1種を使用するか又は目視により測定した場合に相互に同一であるか又は同一のアミノ酸残基もしくはヌクレオチドの百分率が特定値であることを意味する。 The term “match” or “percent match” percentage for two or more nucleic acid or polypeptide sequences compares and aligns two or more sequences or sub-sequences to maximally correspond, and the sequence comparison algorithm described below Means that the percentages of amino acid residues or nucleotides that are identical to each other or the same when measured visually (or other algorithms available to those skilled in the art) are specified values. To do.

2種以上の核酸又はポリペプチド(例えばO−tRNAもしくはO−RS又はO−RSのアミノ酸配列をコードするDNA)に関して「実質的に一致」なる用語は2種以上の配列又はサブ配列を最大限に対応するように対比及び整列させ、配列比較アルゴリズムを使用するか又は目視により測定した場合にヌクレオチド又はアミノ酸残基一致度が少なくとも約60%、好ましくは80%、最も好ましくは90〜95%であることを意味する。このような「実質的に一致」する配列は一般に実際の起源が記載されていなくても「相同」であるとみなす。少なくとも約50残基長の配列の領域にわたって「実質的一致」が存在することが好ましく、少なくとも約100残基長の配列の領域がより好ましく、少なくとも約150残基又は比較する2配列の全長にわたって配列が実質的に一致していることが最も好ましい。 The term “substantially identical” with respect to two or more nucleic acids or polypeptides (eg, DNA encoding an O-tRNA or O-RS or O-RS amino acid sequence) maximizes two or more sequences or subsequences. And having a nucleotide or amino acid residue identity of at least about 60%, preferably 80%, most preferably 90-95% when measured using a sequence comparison algorithm or visually. It means that there is. Such “substantially identical” sequences are generally considered to be “homologous” even if no actual origin is described. Preferably there is a “substantial match” over a region of the sequence that is at least about 50 residues long, more preferably a region of the sequence that is at least about 100 residues long, over at least about 150 residues or the entire length of the two sequences to be compared. Most preferably, the sequences are substantially matched.

配列比較及び相同性決定には、一般に一方の配列を参照配列としてこれに試験配列を比較する。配列比較アルゴリズムを使用する場合には、試験配列と参照配列をコンピューターに入力し、必要に応じてサブ配列座標を指定し、配列アルゴリズムプログラムパラメーターを指定する。こうすると、配列比較アルゴリズムは指定プログラムパラメーターに基づいて参照配列に対して試験配列の配列一致度百分率を計算する。 For sequence comparison and homology determination, typically one sequence acts as a reference sequence to which test sequences are compared. When using a sequence comparison algorithm, test and reference sequences are entered into a computer, subsequence coordinates are designated, if necessary, and sequence algorithm program parameters are designated. In this way, the sequence comparison algorithm calculates the percent sequence identity for the test sequence relative to the reference sequence, based on the designated program parameters.

比較のための最適な配列アラインメントは例えばSmith & waterman,Adv.Appl.Math.2:482(1981)の局所相同性アルゴリズム、Needleman& Wunsch,J.Mol.Biol.48:443(1970)の相同性アラインメントアルゴリズム、Pearson& Lipman,Proc.Nat&apos;
l Acad.Sci.USA85:2444(1988)の類似性探索法、これらのアルゴリズムのコンピューターソフトウェア(Wisconsin Genetics Software Package,GeneticsComputer Group,575 ScienceDr.,Madison,WIのGAP、BESTFIT、FASTA及びTFASTA)、又は目視(一般にAusubelら,後出参照)により実施することができる。
Optimal sequence alignments for comparison are described, for example, in Smith & waterman, Adv. Appl. Math. 2: 482 (1981), Local homology algorithm, Needleman & Wunsch, J. et al . Mol. Biol. 48: 443 (1970) homology alignment algorithm, Pearson & Lipman, Proc. Nat &apos;
l Acad. Sci. USA 85: 2444 (1988), similarity search method, computer software for these algorithms (Wisconsin Genetics Software Package, Genetics Computer Group, 575 Science Dr., Madison, WI GAP, BESTFIT, FASTAu, General Et al., See below).

配列一致度及び配列類似度百分率を決定するのに適したアルゴリズムの1例はAltschulら,J.Mol.Biol.215:403−410(1990)に記載されているBLASTアルゴリズムである。BLAST分析を実施するためのソフトウェアはNationalCenter for BiotechnologyInformation(www.ncbi.nlm.nih.gov/)から公に入手可能である。このアルゴリズムはデータベース配列中の同一長さの単語と整列した場合に所定の正の閾値スコアTと一致するか又はこれを満足するクエリー配列中の長さWの短い単語を識別することによりまず高スコア配列対(HSP)を識別する。Tを隣接単語スコア閾値と言う(Altschulら,前出)。これらの初期隣接単語ヒットをシードとして検索を開始し、これらの単語を含むもっと長いHSPを探索する。次に、累積アラインメントスコアを増加できる限り、単語ヒットを各配列に沿って両方向に延長する。ヌクレオチド配列の場合にはパラメーターM(1対のマッチ残基のリウォードスコア、常に>0)及びN(ミスマッチ残基のペナルティースコア、常に<0)を使用して累積スコアを計算する。アミノ酸配列の場合には、スコアリングマトリクスを使用して累積スコアを計算する。累積アラインメントスコアがその最大到達値から量Xだけ低下するか、累積スコアが1カ所以上の負スコア残基アラインメントの累積によりゼロ以下になるか、又はどちらかの配列の末端に達したら各方向の単語ヒットの延長を停止する。BLASTアルゴリズムパラメーターW、T及びXはアラインメントの感度と速度を決定する。BLASTINプログラム(ヌクレオチド配列用)は語長(W)11、期待値(E)10、カットオフ100、M=5、N=4、及び両鎖の比較をデフォルトとして使用する。アミノ酸配列用として、BLASTPプログラムは語長(W)3、期待値(E)10、及びBLOSUM62スコアリングマトリクスをデフォルトとして使用する(Henikoff& Henikoff(1989)Proc.Natl.Acad.Sci.USA89:10915参照)。 One example of an algorithm that is suitable for determining sequence identity and sequence similarity percentage is the Altschul et al . Mol. Biol. 215: 403-410 (1990). Software for performing BLAST analyzes is publicly available from National Center for Biotechnology Information (www.ncbi.nlm.nih.gov/). The algorithm first identifies the short word of length W in the query sequence that matches or satisfies a predetermined positive threshold score T when aligned with the same length of word in the database sequence. A score sequence pair (HSP) is identified. T is referred to as the neighborhood word score threshold (Altschul et al., Supra). A search is initiated using these initial neighborhood word hits as seeds, searching for longer HSPs containing these words. The word hits are then extended in both directions along each sequence for as far as the cumulative alignment score can be increased. For nucleotide sequences, parameters M (reward score for a pair of matched residues, always> 0) and N (penalty score for mismatched residues, always <0) are used to calculate the cumulative score. For amino acid sequences, a scoring matrix is used to calculate the cumulative score. When the cumulative alignment score decreases by an amount X from its maximum reached value, or the cumulative score falls below zero due to the accumulation of one or more negative score residue alignments, or reaches the end of either sequence in each direction Stop extending word hits. The BLAST algorithm parameters W, T and X determine the sensitivity and speed of the alignment. The BLASTIN program (for nucleotide sequences) uses word length (W) 11, expectation (E) 10, cutoff 100, M = 5, N = 4, and comparison of both strands as defaults. For amino acid sequences, the BLASTP program uses word length (W) 3, expected value (E) 10, and BLOSUM62 scoring matrix as defaults (Henikoff & Henikoff (1989) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89: 10915. reference).

配列一致度百分率の計算に加え、BLASTアルゴリズムは2配列間の類似性の統計分析も実施する(例えばKarlin& Altschul,Proc.Nat&apos;
l.Acad.Sci.USA 90:5873−5787(1993)参照)。BLASTアルゴリズムにより提供される類似性の1尺度は2種のヌクレオチド又はアミノ酸配列間に偶然にマッチが起こる確率を示す最小合計確率(P(N))である。例えば、試験核酸を参照核酸に比較した場合の最小合計確率が約0.1未満、より好ましくは約0.01未満、最も好ましくは約0.001未満である場合に核酸は参照核酸に類似しているとみなす。
In addition to calculating the percent sequence identity, the BLAST algorithm also performs a statistical analysis of the similarity between two sequences (eg, Karlin & Altschul, Proc. Nat &apos;
l. Acad. Sci. USA 90: 5873-5787 (1993)). One measure of similarity provided by the BLAST algorithm is the minimum total probability (P (N)) that indicates the probability that a match will occur by chance between two nucleotide or amino acid sequences. For example, a nucleic acid is similar to a reference nucleic acid when the minimum total probability when the test nucleic acid is compared to the reference nucleic acid is less than about 0.1, more preferably less than about 0.01, and most preferably less than about 0.001. It is considered.

免疫反応性によるポリペプチドの特性決定Polypeptide characterization by immunoreactivity

本発明のポリペプチドは(例えば本発明の翻訳系で合成されるタンパク質の場合には非天然アミノ酸を含み、例えば本発明の新規シンテターゼの場合には標準アミノ酸の新規配列を含む)種々の新規ポリペプチドを提供するので、ポリペプチドは例えばイムノアッセイで認識することができる新規構造特徴も提供する。本発明のポリペプチドに特異的に結合する抗血清の作製とこのような抗血清と結合するポリペプチドも本発明の特徴の1つである。 Polypeptides of the present invention include various novel polypeptides (for example, containing unnatural amino acids in the case of proteins synthesized in the translation system of the present invention, and including novel sequences of standard amino acids in the case of the novel synthetases of the present invention). Since peptides are provided, polypeptides also provide new structural features that can be recognized, for example, in immunoassays. Production of an antiserum that specifically binds to the polypeptide of the present invention and a polypeptide that binds to such an antiserum are also features of the present invention.

例えば、本発明は配列番号35〜66(表5参照)の1種以上から選択されるアミノ酸配列を含む免疫原に対して作製した抗体又は抗血清に特異的に結合するか又は特異的に免疫反応性であるシンテターゼタンパク質を含む。他の相同体との交差反応性をなくすために、野生型Methanococcusjannaschii(M.janaschii)チロシルシンテターゼ(TyrRS)等の入手可能なシンテターゼ(例えば「コントロール」ポリペプチド)を用いて抗体又は抗血清をサブトラクションする。野生型Methanococcusjannaschii(M.janaschii)チロシルシンテターゼ(TyrRS)が核酸に対応する場合には、核酸によりコードされるポリペプチドを作製し、抗体/抗血清サブトラクション目的に使用する。 For example, the present invention specifically binds to or specifically immunizes antibodies or antisera raised against an immunogen comprising an amino acid sequence selected from one or more of SEQ ID NOs: 35-66 (see Table 5). Includes synthetase proteins that are reactive. In order to eliminate cross-reactivity with other homologs, antibodies or antisera can be obtained using an available synthetase (eg, a “control” polypeptide) such as wild-type Methanococcus jannaschii (M. janaschii) tyrosyl synthetase (TyrRS). Subtract. If wild-type Methanococcus jannaschii (M. janaschii) tyrosyl synthetase (TyrRS) corresponds to a nucleic acid, a polypeptide encoded by the nucleic acid is produced and used for antibody / antiserum subtraction purposes.

典型的なフォーマットの1例では、イムノアッセイは配列番号35〜66(表5参照)の1種以上に対応する配列の1種以上又はその実質的サブ配列(即ち記載する全長配列の少なくとも約30%)を含む1種以上のポリペプチドに対して作製したポリクローナル抗血清を使用する。配列番号35〜66(表5参照)に由来する潜在的ポリペプチド免疫原群を以下の文中では「免疫原性ポリペプチド」と総称する。得られた抗血清を場合により対照シンテターゼ相同体に対する交差反応性が低くなるように選択し、ポリクローナル抗血清をイムノアッセイで使用する前に例えば対照シンテターゼ相同体の1種以上に免疫吸着させることによりこのような交差反応性を除去する。 In one example of a typical format, the immunoassay is one or more of the sequences corresponding to one or more of SEQ ID NOs: 35-66 (see Table 5) or a substantial subsequence thereof (ie, at least about 30% of the full-length sequence described). Polyclonal antisera raised against one or more polypeptides including) are used. Potential polypeptide immunogens derived from SEQ ID NOs: 35-66 (see Table 5) are collectively referred to as “immunogenic polypeptides” in the following text. The resulting antiserum is optionally selected to have low cross-reactivity to the control synthetase homolog and this polyclonal antiserum is immunoadsorbed, for example, to one or more of the control synthetase homologs prior to use in the immunoassay. Such cross-reactivity is removed.

イムノアッセイで使用する抗血清を作製するためには、免疫原性ポリペプチドの1種以上を本明細書に記載するように作製し、精製する。例えば、組換えタンパク質を組換え細胞で生産することができる。標準マウス免疫プロトコールに従って近交系マウス(マウスの仮想遺伝子一致により結果の再現性が高いのでこのアッセイで使用)に標準アジュバント(例えばフロイントアジュバント)と共に免疫原性タンパク質を免疫する(抗体作製、イムノアッセイフォーマット及び特異的免疫反応性を測定するために使用可能な条件の標準解説については、例えばHarlowとLane(1988)Antibodies,ALaboratory Manual,Cold Spring HarborPublications,New York参照。本明細書に示した他の抗体関連文献もこの場合の免疫反応性によるポリペプチドの特性決定に適用することができる)。あるいは、本明細書に開示する配列から誘導される1種以上の合成又は組換えポリペプチドをキャリヤータンパク質に結合させて免疫原として使用してもよい。 In order to generate antisera for use in immunoassays, one or more of the immunogenic polypeptides are generated and purified as described herein. For example, recombinant proteins can be produced in recombinant cells. According to a standard mouse immunization protocol, an inbred mouse (used in this assay because of the high reproducibility of the results due to virtual gene matching of mice) is immunized with a standard adjuvant (eg, Freund's adjuvant) together with an immunogenic protein (antibody production, immunoassay format) See, for example, Harlow and Lane (1988) Antibodies, Laboratory Manual , Cold Spring Harbor Publications, New York, for a standard description of conditions that can be used to measure specific immunoreactivity. Related literature can also be applied to characterize polypeptides by immunoreactivity in this case). Alternatively, one or more synthetic or recombinant polypeptides derived from the sequences disclosed herein may be conjugated to a carrier protein and used as an immunogen.

ポリクローナル血清を収集し、イムノアッセイ(例えば固体支持体に固定化した免疫原性タンパク質の1種以上を使用する固相イムノアッセイ)で免疫原性ポリペプチドに対する力価を測定する。106以上の力価をもつポリクローナル抗血清を選択し、プールし、対照シンテターゼポリペプチドでサブトラクションし、高力価ポリクローナル抗血清サブトラクションプールを作製する。 Polyclonal serum is collected and titered against the immunogenic polypeptide in an immunoassay (eg, a solid phase immunoassay using one or more of the immunogenic proteins immobilized on a solid support). Polyclonal antisera with a titer of 10 6 or more are selected, pooled, and subtracted with a control synthetase polypeptide to create a high titer polyclonal antiserum subtraction pool.

高力価ポリクローナル抗血清サブトラクションプールを比較イムノアッセイで対照相同体に対する交差反応性について試験する。この比較アッセイでは、高力価ポリクローナル坑血清が免疫原性シンテターゼと結合する場合のシグナル対ノイズ比が対照シンテターゼ相同体と結合する場合の少なくとも約5〜10倍となるように、サブトラクション高力価ポリクローナル坑血清に差別的な結合条件を決定する。即ち、アルブミン又は脱脂粉乳等の非特異的競合剤を加えるか及び/又は塩条件、温度及び/又はその他を調節することにより結合反応のストリンジェンシーを調整する。これらの結合条件は、試験ポリペプチド(免疫原性ポリペプチド及び/又は対照ポリペプチドに比較するポリペプチド)がサブトラクションポリクローナル坑血清プールに特異的に結合するか否かを調べる後期アッセイで使用される。特に、差別的結合条件下で対照シンテターゼ相同体の少なくとも2〜5倍のシグナル対ノイズ比と、免疫原性ポリペプチドの少なくとも約1.5倍のシグナル対ノイズ比を示す試験ポリペプチドは公知シンテターゼに比較して免疫原ポリペプチドと実質的な構造類似性をもつので、本発明のポリペプチドである。 High titer polyclonal antiserum subtraction pools are tested for cross-reactivity against a control homolog in a comparative immunoassay. In this comparative assay, the subtraction high titer is such that the signal to noise ratio when high titer polyclonal antiserum binds to an immunogenic synthetase is at least about 5-10 times that when bound to a control synthetase homolog. Determine differential binding conditions for polyclonal antiserum. That is, the stringency of the binding reaction is adjusted by adding non-specific competitors such as albumin or skim milk and / or adjusting salt conditions, temperature and / or others. These binding conditions are used in late-stage assays to determine whether a test polypeptide (a polypeptide that is compared to an immunogenic polypeptide and / or a control polypeptide) specifically binds to a subtraction polyclonal antiserum pool. . In particular, test polypeptides that exhibit a signal to noise ratio of at least 2 to 5 times that of a control synthetase homolog under differential binding conditions and a signal to noise ratio of at least about 1.5 times that of an immunogenic polypeptide are known synthetases. The polypeptide of the present invention has substantial structural similarity to the immunogenic polypeptide as compared with the polypeptide of the present invention.

別の例では、試験ポリペプチドの検出に競合結合フォーマットのイムノアッセイを使用する。例えば、自明の通り、対照ポリペプチドに免疫吸着させることにより坑血清混合物プールから交差反応性抗体を除去する。次に、免疫原性ポリペプチドを固体支持体に固定化し、支持体をサブトラクション坑血清プールに暴露する。試験タンパク質をアッセイに加え、サブトラクション坑血清プールとの結合を競合させる。試験タンパク質が固定化タンパク質に対してサブトラクション坑血清プールとの結合を競合する能力と、アッセイに加えた免疫原性ポリペプチドが結合を競合する能力とを比較する(免疫原性ポリペプチドは坑血清プールとの結合を固定化免疫原性ポリペプチドと有効に競合する)。標準計算を使用して試験タンパク質の交差反応性百分率を計算する。 In another example, a competitive binding format immunoassay is used to detect a test polypeptide. For example, as will be appreciated, cross-reactive antibodies are removed from the antiserum mixture pool by immunoadsorption to a control polypeptide. The immunogenic polypeptide is then immobilized on a solid support and the support is exposed to the subtraction antiserum pool. Test protein is added to the assay to compete for binding with the subtraction antiserum pool. Compare the ability of the test protein to compete with the immobilized protein for binding to the subtraction antiserum pool and the ability of the immunogenic polypeptide added to the assay to compete for binding (the immunogenic polypeptide is antiserum). Effectively competes with the immobilized immunogenic polypeptide for binding to the pool). Calculate the percent cross-reactivity of the test protein using standard calculations.

平行アッセイで場合により対照タンパク質がサブトラクション坑血清プールとの結合を競合する能力を免疫原性ポリペプチドが坑血清との結合を競合する能力と比較測定する。この場合も、標準計算を使用して対照ポリペプチドの交差反応性百分率を計算する。試験ポリペプチドの交差反応性百分率が対照ポリペプチドの少なくとも5〜10倍である場合又は試験ポリペプチドの結合が免疫原性ポリペプチドの結合とほぼ同一範囲である場合に、試験ポリペプチドはサブトラクション坑血清プールに特異的に結合すると言う。 In a parallel assay, the ability of the control protein to optionally compete for binding to the subtraction antiserum pool is measured relative to the ability of the immunogenic polypeptide to compete for binding to antiserum. Again, standard calculations are used to calculate the percent cross-reactivity of the control polypeptide. A test polypeptide is subtracted when the percent cross-reactivity of the test polypeptide is at least 5 to 10 times that of the control polypeptide or when the binding of the test polypeptide is approximately in the same range as the binding of the immunogenic polypeptide. Said to bind specifically to the serum pool.

一般に、本明細書に記載する競合的結合イムノアッセイでは任意試験ポリペプチドを免疫原性及び/又は対照ポリペプチドに比較するために免疫吸着坑血清プールを使用することができる。この比較を行うためには、免疫原性、試験及び対照ポリペプチドを各々広い濃度範囲でアッセイし、サブトラクション坑血清と例えば固定化した対照、試験又は免疫原性タンパク質との結合の50%を阻害するために必要な各ポリペプチドの量を標準技術により決定する。競合アッセイで結合に必要な試験ポリペプチドの量が免疫原性ポリペプチドの必要量の2倍未満であり、対照ポリペプチドの少なくとも約5〜10倍である場合には試験ポリペプチドは免疫原性タンパク質に対して作製した抗体に特異的に結合すると言う。 In general, the competitive binding immunoassays described herein can use an immunosorbent anti-serum pool to compare any test polypeptide to an immunogenic and / or control polypeptide. To make this comparison, immunogenicity, test and control polypeptides are each assayed over a wide concentration range and inhibit 50% of binding between subtraction antisera and eg immobilized control, test or immunogenic proteins. The amount of each polypeptide required to do so is determined by standard techniques. A test polypeptide is immunogenic if the amount of test polypeptide required for binding in a competitive assay is less than twice the amount of immunogenic polypeptide required and at least about 5-10 times the control polypeptide. It is said to bind specifically to the antibody produced against the protein.

特異性の付加試験として、得られる免疫原性ポリペプチドサブトラクション坑血清プールと免疫吸着に使用する免疫原性ポリペプチドの結合が殆ど又は全く検出できなくなるまで場合により坑血清プールを(対照ポリペプチドではなく)免疫原性ポリペプチドに完全に免疫吸着させる。この完全に免疫吸着した坑血清を次に試験ポリペプチドとの反応性について試験する。反応性が殆ど又は全く観察されない場合(即ち完全に免疫吸着した坑血清と免疫原性ポリペプチドの結合に観察されるシグナル対ノイズ比の2倍以下)には、試験ポリペプチドは免疫原性タンパク質により誘導される坑血清に特異的に結合する。 As an additional test of specificity, an antiserum pool (optionally for the control polypeptide) is optionally added until little or no binding of the resulting immunogenic polypeptide subtraction antiserum pool to the immunogenic polypeptide used for immunoadsorption can be detected. (Not) fully immunosorbed to the immunogenic polypeptide. This fully immunosorbed antiserum is then tested for reactivity with the test polypeptide. If little or no reactivity is observed (ie, less than twice the signal-to-noise ratio observed for binding of fully immunosorbed antiserum to the immunogenic polypeptide), the test polypeptide is an immunogenic protein. Specifically binds to antisera induced by.

一般技術General technology

分子生物学技術について記載している一般教科書としてはBergerとKimmel,Guideto Molecular Cloning Techniques,Methods in Enzymology volume 152 AcademicPress,Inc.,San Diego,CA(Berger);Sambrookら,MolecularCloning−A LaboragoryManual(第3版),Vol.1−3,ColdSpring Harbor Laboratory,Cold Spring Harbor,NewYork,2000(「Sambrook」);及びCurrent Protocols in MolecularBiology,F.M.Ausubelら,編,CurrentProtocols,a joint venturebetween Greene PublishingAssociates,Inc.and John Wiley& Sons,Inc.(2002年補遺)(「Ausubel」)が挙げられる。これらの教科書は突然変異誘発、ベクターの使用、プロモーター及び他の多くの関連事項について記載しており、例えば直交tRNA、直交シンテターゼ及びその対の作製について記載している。 General textbooks describing molecular biology techniques include Berger and Kimmel, Guideto Molecular Cloning Techniques, Methods in Enzymology Volume 152 Academic Press , Inc. San Diego, CA (Berger); Sambrook et al., Molecular Cloning-A Laboratory Manual (3rd edition), Vol. 1-3, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, New York, 2000 (“Sambrook”); and Current Protocols in Molecular Biology , F .; M.M. Ausubel et al., Ed., Current Protocols, a joint venturebetween Greene Publishing Associates, Inc. and John Wiley & Sons, Inc. (2002 Addendum) ("Ausubel"). These textbooks describe mutagenesis, the use of vectors, promoters and many other related topics, such as the creation of orthogonal tRNAs, orthogonal synthetases and pairs thereof.

例えば新規シンテターゼ又はtRNAを生産するために、本発明では各種突然変異誘発を使用する。これらの方法としては部位特異的、ランダム点突然変異誘発、相同組換え(DNAシャフリング)、ウラシル含有鋳型を使用する突然変異誘発、オリゴヌクレオチド誘導突然変異誘発、ホスホロチオエート修飾DNA突然変異誘発、ギャップデュプレクスDNAを使用する突然変異誘発等が挙げられるが、これらに限定されない。他の利用可能な方法としては点ミスマッチ修復、修復欠損宿主株を使用する突然変異誘発、制限−選択及び制限−精製、欠失突然変異誘発、完全遺伝子合成による突然変異誘発、2本鎖切断修復等が挙げられる。例えばキメラ構築物を使用する突然変異誘発も本発明に含まれる。1態様では、天然分子又は改変もしくは突然変異させた天然分子の公知情報(例えば配列、配列比較、物性、結晶構造等)により突然変異誘発を実施することができる。 For example, various mutagenesis is used in the present invention to produce novel synthetases or tRNAs. These methods include site-specific, random point mutagenesis, homologous recombination (DNA shuffling), mutagenesis using uracil-containing templates, oligonucleotide-induced mutagenesis, phosphorothioate-modified DNA mutagenesis, gap duplex Examples include, but are not limited to, mutagenesis using DNA. Other available methods include point mismatch repair, mutagenesis using repair-deficient host strains, restriction-selection and restriction-purification, deletion mutagenesis, mutagenesis by complete gene synthesis, double-strand break repair Etc. For example, mutagenesis using a chimeric construct is also included in the present invention. In one embodiment, mutagenesis can be performed by known information (eg, sequence, sequence comparison, physical properties, crystal structure, etc.) of a natural molecule or a modified or mutated natural molecule.

本明細書に記載する上記教科書と実施例はこれらの手順について記載している。以下の刊行物とその引用文献にも情報が記載されていれる。Sieberら,NatureBiotechnology,19:456−460(2001);Lingら,Approaches to DNA mutagenesis:anoverview,Anal Biochem.254(2):157−178(1997);Daleら,Oligonucleotide−directed random mutagenesis using the phosphorothioatemethod,Methods Mol.Biol.57:369−374(1996);I.A.Lorimer,I.Pastan,Nucleic Acids Res.23,3067−8(1995);W.P.C.Stemmer,Nature370,389−91(1994);Arnold,Protein engineeringfor unusual environments,CurrentOpinion in Biotechnology 4:450−451(1993);Bassら,Mutant Trp repressors with new DNA−bindingspecificities,Science 242:240−245(1988);Fritzら,Oligonucleotide−directedconstruction of mutations:agapped duplex DNAprocedure without enzymaticreactions in vitro,Nucl.AcidsRes.16:6987−6999(1988);Kramerら,Improvedenzymatic in vitro reactions in the gapped duplex DNAapproach to oligonucleotide−directedconstruction of mutations,Nucl.AcidsRes 16:7207(1988);Sakamar& Khorana,Total synthesisand expression of a gene for the a−subunitof bovine rod outer segment guaninenucleotide−binding protein(transducin),Nucl.AcidsRes.14:6361−6372(1988);Sayersら,Y−TExonucleases in phosphorothioate−basedoligonucleotide−directed mutagenesis,Nucl.AcidsRes.16:791−802(1988);Sayersら,Strandspecific cleavage of phosphorothioate−containing DNA by reaction with restriction endonucleases in the presence of ethidium bromide,(1988)Nucl.AcidsRes.16:803−814;Carter,Improvedoligonucleotide−directed mutagenesisusing M13 vectors,Methodsin Enzymol.154:382−403(1987);Kramer & Fritz Oligonucletide−directed construction of mutations via gapped duplexDNA,Methods in Enzymol.154:350−367(1987);Kunkel,The efficiency of oligonucleotidedirected mutagenesis,in Nucleic Acids & Molecular Biology(Eckstein,F.and Lilley,D.M.J.編,Springer Verlag,Berlin))(1987);Kunkelら,Rapidand efficient site−specificmutagenesis without phenotypicselection,Methods in Enzymol.154,367−382(1987);Zoller & Smith,Oligonucleotide−directed mutagenesis:a simple methodusing two oligonucleotideprimers and a single−stranded DNA template,Methodsin Enzymol.154:329−350(1987);Carter,Site−directed mutagenesis,Biochem.J.237:1−7(1986);Eghtedarzadeh& Henikoff,Use of oligonucleotides to generate large deletions,Nucl.Acids Res.14:5115(1986);Mandecki,Oligonucleotide−directeddouble−strand break repairin plasmids of Escherichia coli:a methodfor site−specific mutagenesis,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,83:7177−7181(1986);NakamayeとEckstein,Inhibitionof restriction enconucleaseNciI cleavage by phosphorothioate groups andits application to oligonucleotide−directed mutagenesis,Nucl.Acids Res.14:9679−9698(1986);Wellsら,Importance of hydrogen−bond formation in stabilizing the transitionstate of subtilisin,Phil.Trans.R.Soc.Lond.A317:415−423(1986);Botstein & Shortle,Strategies and applicationsof in vitro mutagenesis,Science 229:1193−1201(1985);Carterら,Improvedoligonucleotide site−directed mutagenesis using M13vectors,Nucl.Acids Res.13:4431−4443(1985);Grundstromら,Oligonucleotide−directed mutagenesis by microscale '
shot−gun' gene synthesis,Nucl.Acids Res.13:3305−3316(1985);Kunkel,Rapid and efficient site−specificmutagenesis without phenotypicselection,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 82:488−492(1985);Smith,Invivo mutagenesis,Ann.Rev.Genet.19:423−462(1985);Taylorら,Theuse of phosphorothioate−modifiedDNA in restrictionenzyme reactions to prepare nicked DNA,Nucl.AcidsRes.13:8749−8764(1985);Taylorら,Therapid generation of oligonucleotide−directed mutations at high frequency using phosphorothioate−modifiedDNA,Nucl.Acids Res.13:8765−8787(1985);Wellsら,Cassette mutagenesis:anefficient method forgeneration of multiple mutations at defined sites,Gene 34:315−323(1985);Kramerら,The gapped duplex DNAapproach to oligonucleotide−directedmutation construction,Nucl.AcidsRes.12:9441−9456(1984);Kramerら,PointMismatch Repair,Cell 38:879−887(1984);Nambiarら,Total synthesis and cloning of a gene coding for the ribonucleaseS protein,Science 223:1299−1301(1984);Zoller & Smith,Oligonucleotide−directed mutagenesisof DNA fragments cloned into M13vectors,Methods in Enzymol.100:468−500(1983);及びZoller & Smith,Oligonucleotide−directed mutagenesis using M13−derivedvectors:an efficient andgeneral procedure forthe production of point mutations in any DNA fragment,Nucleic AcidsRes.10:6487−6500(1982)。上記方法の多くに関する更に詳細な説明はMethodsin EnzomologyVolume 154に記載されており、この文献には各種突然変異誘発法に伴うトラブルシューティング問題の有用な解決方法も記載されている。
The textbooks and examples described herein describe these procedures. Information can also be found in the following publications and references cited therein. Sieber et al., Nature Biotechnology, 19: 456-460 (2001); Ling et al., Approaches to DNA mutation: nanoview, Anal Biochem. 254 (2): 157-178 (1997); Dale et al., Oligonucleotide-directed random mutation usage using the phosphorioate method, Methods Mol. Biol. 57: 369-374 (1996); A. Lorimer, I .; Pastan, Nucleic Acids Res. 23, 3067-8 (1995); P. C. Stemmer, Nature 370,389-91 (1994); Arnold, Protein engineeringfor unusual environments, CurrentOpinion in Biotechnology 4: 450-451 (1993); Bass et al., Mutant Trp repressors with new DNA- bindingspecificities, Science 242: 240-245 ( 1988); Fritz et al., Oligonucleotide-directed construction of mutations: agapped duplex DNA procedure without enzymatic reactions in vitro, Nucl. Acids Res. 16: 6987-6999 (1988); Kramer et al., Improvedenzymatic in vitro reactions in the gapted duplex DNAapproached-directed construction , . AcidsRes 16: 7207 (1988); Sakamar & Khorana, Total synthesisand expression of a gene for the a-subunitof bovine rod outer segment guaninenucleotide-binding protein (transducin), Nucl. Acids Res. 14: 6361-6372 (1988); Sayers et al., Y-TExonucleases in phosphorothioate-basedoligonucleotide -directed mutagenesis, Nucl. Acids Res. 16: 791-802 (1988); Sayers et al., Strand cleavable cleavage of phosphoroate-containing DNA by reaction with restriction endemu depletion in the prescription . Acids Res. 16: 803-814; Carter, Improvedoligotide-directed mutagenesis M13 vectors, Methods Enzymol. 154: 382-403 (1987); Kramer & Fritz Oligonucleotide-directed construction of mutations via conjugated duplex DNA, Methods in Enzymol. 154: 350-367 (1987); Kunkel, The efficiency of oligodirected mutagenesis, in Nucleic Acids & Molecular Biology (Eckstein, F. and L. J., L.). Et al, Rapid effectiveness site-specific quantification, with phenotypic selection, Methods in Enzymol. 154, 367-382 (1987); Zoller & Smith, Oligonucleotide-directed mutagenesis: a simple method of measuring oligodegraded molecules and a single-stranded molecule. 154: 329-350 (1987); Carter, Site-directed mutagenesis, Biochem. J. et al. 237: 1-7 (1986); Eghtedarzadeh & Henikoff, Use of oligonucleotides to generate large deletions, Nucl. Acids Res. 14: 5115 (1986); Mandecki, Oligonucleotide-directed double-strand break repairs of Escherichia coli: a method for site-specificity . Natl. Acad. Sci. USA , 83: 7177-7181 (1986); Nakamaye and Eckstein, Inhibition of restriction enciclease NciI cleaved by phosphorodiolto group production and secretions application . Acids Res. 14: 9679-9698 (1986); Wells et al., Importance of hydrogen-bond formation in stabilization the transformation state of subtilisin, Phil. Trans. R. Soc. London. A317: 415-423 (1986); Botstein & Shortle, Strategies and applications of in vitro mutations, Science 229: 1193-1201 (1985); Carter et al . Acids Res. 13: 4431-4443 (1985); Grundstrom et al., Oligonucleotide-directed mutationage by microscale '
shot-gun 'gene synthesis, Nucl. Acids Res. 13: 3305-3316 (1985); Kunkel, Rapid and effective site-specific quantitation with phenotypic selection, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82: 488-492 (1985); Smith, In vivo mutationage, Ann. Rev. Genet. 19: 423-462 (1985); Taylor et al., Theuse of phosphoroate-modified DNA in restriction enzyme reactions to pre-prepared nicked DNA, Nucl. Acids Res. 13: 8749-8864 (1985); Taylor et al., Ther generation of oligonucleotide-directed mutations at high frequency using phosphorylated-modified DNA, Nucl. Acids Res. 13: 8765-8787 (1985); Wells et al., Cassette mutagenesis: anefficient method forgeneration of multiple mutations at defined sites, Gene 34: 315-323 (1985); Kramer et al., The gapped duplex DNAapproach to oligonucleotide- directedmutation construction, Nucl. Acids Res. 12: 9441-9456 (1984); Kramer et al., PointMismatch Repair, Cell 38: 879-887 (1984); Nambiar et al., Total synthesis and cloning of a gene coding for the ribonucleaseS protein, Science 223: 1299-1301 (1984) Zoller & Smith, Oligonucleotide-directed mutagenesis of DNA fragments cloned into M13vectors, Methods in Enzymol. 100: 468-500 (1983); and Zoller & Smith, Oligonucleotide-directed mutagenesis using M13-directed detectors: an effective and general production infectious production . 10: 6487-6500 (1982). A more detailed description of many of the above methods can be found in Methods Enzymology Volume 154, which also describes useful solutions to troubleshooting problems associated with various mutagenesis methods.

例えば本発明の突然変異誘発(例えばシンテターゼのライブラリーの突然変異又はtRNAの改変)に使用するオリゴヌクレオチドは一般にBeaucageとCaruthers,TetrahedronLetts.22(20):1859−1862(1981)により記載されている固相ホスホロアミダイトトリエステル法に従い、例えばNeedham−VanDevanterら,NucleicAcids Res.,12:6159−6168(1984)に記載されているような自動合成器を使用して化学的に合成される。 For example, oligonucleotides used in the mutagenesis of the present invention (eg, mutation of a synthetase library or tRNA modification) are generally described in Beaucage and Caruthers, Tetrahedron Letts. 22 (20): 1859-1862 (1981), following the solid phase phosphoramidite triester method, for example, Needham-Van Devanta et al., Nucleic Acids Res. 12: 6159-6168 (1984), and is chemically synthesized using an automatic synthesizer.

更に、The Midland Certified Reagent Company(mcrc@oligos.com)、TheGreat American GeneCompany(www.genco.com)、ExpressGen Inc.(www.expressgen.com)、OperonTechnologies Inc.(Alameda,CA)、その他多数の各種販売会社からほぼ任意核酸(及び標準又は標準外を問わずほぼ任意標識核酸)をオーダーメード又は標準注文することができる。 Furthermore, The Midland Certified Reagent Company (mcrc@oligos.com), TheGreat American GeneCompany (www.genco.com), ExpressGen Inc. (Www.expressgen.com), Operon Technologies Inc. (Alameda, Calif.) And many other various sales companies can order almost any nucleic acid (and almost any labeled nucleic acid regardless of standard or non-standard) or make a standard order.

本発明は直交tRNA/RS対を介する非天然アミノ酸のin vivo組込みに用いる宿主細胞及び生物にも関する。例えばクローニングベクター又は発現ベクターとすることができる本発明のベクターで宿主細胞を遺伝子組換え(例えば形質転換、形質導入又はトランスフェクション)する。ベクターは例えばプラスミド、細菌、ウイルス、裸のポリヌクレオチド又はポリヌクレオチドコンジュゲートの形態とすることができる。ベクターはエレクトロポレーション(Fromら,Proc.Natl.Acad.Sci.USA82,5824(1985))、ウイルスベクターによる感染、核酸を小ビーズもしくは粒子のマトリックスに埋込むか又は表面に付着させて小粒子形態で高速射入する(Kleinら,Nature327,70−73(1987)等の標準方法により細胞及び/又は微生物に導入する。Berger、Sambrook及びAusubelには各種の適当な形質転換法が記載されている。 The invention also relates to host cells and organisms used for in vivo incorporation of unnatural amino acids via orthogonal tRNA / RS pairs. For example, a host cell is genetically modified (eg, transformed, transduced or transfected) with the vector of the present invention, which can be a cloning vector or an expression vector. The vector can be, for example, in the form of a plasmid, bacteria, virus, naked polynucleotide or polynucleotide conjugate. Vectors are electroporated (From et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82, 5824 (1985)), infected with viral vectors, nucleic acids embedded in a small bead or particle matrix, or attached to a surface and small. High-speed injection in particle form (introduced into cells and / or microorganisms by standard methods such as Klein et al., Nature 327, 70-73 (1987) etc. Various suitable transformation methods are described in Berger, Sambrook and Ausubel. Has been.

組換え宿主細胞は例えばスクリーニング段階、プロモーター活性化又は形質転換細胞選択等の操作に合うように適宜改変した慣用栄養培地で培養することができる。これらの細胞を場合によりトランスジェニック生物で培養することができる。 Recombinant host cells can be cultured in a conventional nutrient medium that is appropriately modified to suit procedures such as screening, promoter activation, or transformed cell selection. These cells can optionally be cultured in transgenic organisms.

(例えば後期核酸分離のための)例えば細胞分離及び培養に関する他の有用な文献としてはFreshney(1994)Cultureof Animal Cells,a Manual of Basic Technique,第3版,Wiley−Liss,New Yorkとその引用文献;Payneら(1992)Plant Cell and Tissue Culture in Liquid Systems John Wiley& Sons,Inc,New York,NY;GamborgとPhillips(編)(1995)PlantCell,Tissue and Organ Culture;Fundamental Method Springer LabManual,Springer−Verlag(Berlin Heidelberg New York;及びAtlasとParks(編)TheHandbook of Microbiological Media(1993)CRC Press,Boca Raton,FLが挙げられる。 Other useful references (eg for late nucleic acid isolation) such as cell isolation and culture include Freshney (1994) Culture of Animal Cells, a Manual of Basic Technique , 3rd edition, Wiley-Liss, New York and references cited therein. ; Payne et al. (1992) Plant Cell and Tissue Culture in Liquid Systems John Wiley & Sons, Inc, New York, NY; Gamborg and Phillips (eds.) (1995) PlantCell, Tissue and Organ Culture; Fundamental Method Springer LabManual, Springer-Verlag ( Ber in Heidelberg New York; and Atlas and Parks (eds.) TheHandbook of Microbiological Media (1993) CRC Press, Boca Raton, FL , and the like.

ターゲット核酸を宿主細胞に導入する方法としては数種の周知方法が入手可能であり、本発明ではその任意のものを使用することができる。これらの方法としては、DNAを含む細菌プロトプラストとレシピエント細胞の融合、エレクトロポレーション、遺伝子銃及びウイルスベクターによる感染等が挙げられる。本発明のDNA構築物を含むプラスミドの数を増幅するためには細菌細胞を使用することができる。対数期まで細菌細胞を増殖させると、細菌内のプラスミドを当分野で公知の各種方法により分離することができる(例えばSambrook参照)。更に、細菌からプラスミドを精製するために多数のキットが市販されている(例えばEasyPrep(登録商標)、FlexiPrep(登録商標)(いずれもPharmaciaBiotech);StrataClean(登録商標)(Stratagene);及びQIAprep(登録商標)(Qiagen))。分離精製したプラスミドを更に操作して他のプラスミドを作製し、細胞をトランスフェクトするために使用するか又は生物に感染させるために関連ベクターに組込む。典型的ベクターは転写及び翻訳ターミネーターと、転写及び翻訳開始配列と、特定ターゲット核酸の発現の調節に有用なプロモーターを含む。ベクターは場合により少なくとも1個の独立ターミネーター配列と、真核生物又は原核生物又は両者(例えばシャトルベクター)でカセットの複製を可能にする配列と、原核系と真核系の両者の選択マーカーを含む包括的発現カセットを含む。ベクターは原核生物、真核生物、又は好ましくは両者での複製と組込みに適している。Giliman& Smith,Gene 8:81(1979);Robertsら,Nature,328:731(1987);Schneider,B.ら,ProteinExpr.Purif.6435:10(1995);Ausubel,Sambrook,Berger(いずれも前出)参照。クローニングに有用な細菌とバクテリオファージのカタログは例えばATCCから入手でき、例えばATCCから刊行されたTheATCC Catalogueof Bacteria and Bacteriophage(1992)Ghernaら(編)が挙げられる。その他のシーケンシング、クローニング及び分子生物学の他の側面の基本手順と基礎理論事項もWatsonら(1992)RecombinantDNA 第2版,Scientific American Books,NYに記載されている。 As a method for introducing a target nucleic acid into a host cell, several well-known methods are available, and any of them can be used in the present invention. These methods include fusion of bacterial protoplasts containing DNA and recipient cells, electroporation, gene guns and infection with viral vectors. Bacterial cells can be used to amplify the number of plasmids containing the DNA construct of the present invention. When bacterial cells are grown to log phase, plasmids in the bacteria can be isolated by various methods known in the art (see, for example, Sambrook). In addition, many kits are commercially available for purifying plasmids from bacteria (eg EasyPrep®, FlexiPrep® (both Pharmacia Biotech); StrataClean® (Stratagene); and QIAprep®) Trademark) (Qiagen)). The isolated and purified plasmid is further manipulated to generate other plasmids that can be used to transfect cells or be incorporated into related vectors to infect organisms. Typical vectors include transcription and translation terminators, transcription and translation initiation sequences, and promoters useful for the regulation of the expression of specific target nucleic acids. The vector optionally includes at least one independent terminator sequence, a sequence that allows for replication of the cassette in eukaryotes or prokaryotes or both (eg, shuttle vectors), and a selection marker for both prokaryotic and eukaryotic systems. Contains a comprehensive expression cassette. The vector is suitable for replication and integration in prokaryotes, eukaryotes, or preferably both. Giliman & Smith, Gene 8:81 (1979); Roberts et al., Nature , 328: 731 (1987); Schneider, B. et al. Et al . , ProteinExpr. Purif. 6435: 10 (1995); Ausubel, Sambrook, Berger (all above). Catalogs of bacteria and bacteriophages useful for cloning are available from, for example, ATCC, including TheATCC Catalogue Bacteria and Bacteriophage (1992) Gherna et al. (Eds.) Published by ATCC. The basic procedures and basic theories of other aspects of sequencing, cloning and molecular biology are also described in Watson et al. (1992) Recombinant DNA 2nd edition , Scientific American Books, NY.

以下、実施例により本発明を説明するが、これらの実施例により発明を限定するものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited by these Examples.

実施例1−Methanococcus jannaschii由来tRNAの直交性の改善 Example 1-Improvement of orthogonality of tRNA derived from Methanococcus jannaschii

タンパク質翻訳の忠実度を高くするために必要なtRNA−シンテターゼ相互作用の複雑な性質により、直交tRNA−シンテターゼ対の合理的設計は困難である。本実施例は所定の異種間tRNA−シンテターゼ対の交差認識が弱いことを利用し、高い直交性をもつtRNAの後期in vivo進化と組合せる方法に関する。L.WangとP.G.Schultz,Chem.Biol.,8:883(2001)も参照されたい。具体的には、Methanococcus jannaschii tRNATyrに由来するアンバーサプレッサーtRNAのライブラリーを作製した。バルナーゼ遺伝子におけるアンバーナンセンス突然変異の抑圧に基づくネガティブ選択により、内在大腸菌アミノアシルtRNAシンテターゼの基質であるtRNATyrCUAをプールから除去した。次に、残りのtRNATyrCUAのうちでコグネイトMethanococcus jannaschiiチロシルtRNAシンテターゼ(TyrRS)の存在下にβラクタマーゼ遺伝子のアンバーナンセンスコドンを抑圧できるものを選択した。Methanococcus jannaschii tRNATyrCUAよりも弱い大腸菌シンテターゼの基質であるが、効率的にMethanococcus jannaschii TyrRSにより負荷することができる4個の突然変異体サプレッサーtRNAを選択した。突然変異体サプレッサーtRNATyrCUAはMethanococcus jannaschii TyrRSと共に非天然アミノ酸のin vivoタンパク質組込みに有用な直交tRNA−シンテターゼ対を提供する。   Rational design of orthogonal tRNA-synthetase pairs is difficult due to the complex nature of tRNA-synthetase interactions required to increase the fidelity of protein translation. This example relates to a method that combines the late in vivo evolution of a highly orthogonal tRNA using the weak cross-recognition of a given heterologous tRNA-synthetase pair. L. Wang and P.W. G. Schultz, Chem. Biol. 8: 883 (2001). Specifically, a library of amber suppressor tRNAs derived from Methanococcus jannaschii tRNATyr was prepared. Negative selection based on suppression of amber nonsense mutations in the barnase gene removed tRNATyrCUA, a substrate for endogenous E. coli aminoacyl tRNA synthetase, from the pool. Next, among the remaining tRNATyrCUAs, those capable of suppressing the amber nonsense codon of the β-lactamase gene in the presence of cognate Methanococcus jannaschii tyrosyl tRNA synthetase (TyrRS) were selected. Four mutant suppressor tRNAs were selected that were weaker substrates of E. coli synthetase than Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA but could be efficiently loaded by Methanococcus jannaschii TyrRS. Mutant suppressor tRNATyrCUA, together with Methanococcus jannaschii TyrRS, provides an orthogonal tRNA-synthetase pair useful for in vivo protein incorporation of unnatural amino acids.

始原菌であるMethanococcus jannaschiiのtRNATyrは大腸菌tRNATyrと異なるアイデンティティーエレメントをもつ。特に、大腸菌tRNATyrはアクセプターステムにG1C72対をもつが、Methanococcus jannaschii tRNATyrはC1G72対をもつ。Methanococcus jannaschii tRNATyrに由来するアンバーサプレッサーtRNAは効率的に大腸菌シンテターゼによりアミノアシル化されないが、大腸菌でタンパク質翻訳に効率的に機能することが判明した。例えばL.Wang,T.J.Magliery,D.R.Liu,P.G.Schultz,A new functional suppressor tRNA/aminoacyl−tRNA synthetase pair for the in vivo incorporation of unnatural amino acids into proteins.J.Am.Chem.Soc.,122:5010−5011(2000)参照。更に、最低限のアンチコドン−ループ結合ドメインしかもたないMethanococcus jannaschii TyrRSは大腸菌tRNAをアミノアシル化しないが、それ自体のサプレッサーtRNATyrCUAを効率的にアミノアシル化する。例えばB.A.Steer,P.Schimmel,Major anticodon−binding region missing from an archaebacterial tRNA synthetase,J.Biol.Chem.274(1999)35601−35606;及びWangら,(2000),前出参照。   The protozoan Methanococcus jannaschii tRNATyr has an identity element different from that of E. coli tRNATyr. In particular, E. coli tRNATyr has a G1C72 pair in the acceptor stem, whereas Methanococcus jannaschii tRNATyr has a C1G72 pair. An amber suppressor tRNA derived from Methanococcus jannaschii tRNATyr was not efficiently aminoacylated by E. coli synthetase, but was found to function efficiently for protein translation in E. coli. For example, L.M. Wang, T .; J. et al. Magliay, D.M. R. Liu, P.A. G. Schultz, A new functional suppressor tRNA / aminoacyl-tRNA synthetase pair for the in vivo informatical of amino acids into protein. J. et al. Am. Chem. Soc. 122: 5010-5011 (2000). Furthermore, Methanococcus jannaschii TyrRS, which has a minimal anticodon-loop binding domain, does not aminoacylate E. coli tRNA, but efficiently aminoacylates its own suppressor tRNATyrCUA. For example, B. A. Steer, P.M. Schimmel, Major anti-codon-binding region missing from anarchaebacterial tRNA synthetase, J. Am. Biol. Chem. 274 (1999) 35601-35606; and Wang et al. (2000), supra.

大腸菌でこのサプレッサーtRNAの直交性を試験するために、βラクタマーゼの許容部位(Ala184)にアンバーコドンを導入した。例えばD.R.Liu,P.G. Schultz,Progress toward the evolution of an organism with an expanded genetic code.Proc.Natl.Acad.Sci.USA 96:4780−4785(1999)参照。大腸菌シンテターゼにより負荷することができるtRNAはアンバーコドンを抑圧し、アンピシリンの存在下で細胞を生存させる。Methanococcus jannaschii tRNATyrCUAはIC50値56μg/mlアンピシリンでβラクタマーゼ遺伝子内のアンバーコドンを抑圧する。Wangら,(2000),前出参照。これに対して、Saccharomyces cerevisiae tRNAGln2に由来する直交tRNAGlnCUAを同一アッセイで試験するとIC50は21μg/mlアンピシリンである。Liu & Schultz,(1999),前出参照。サプレッサーtRNAの不在下の大腸菌のIC50は10μg/mlアンピシリンである。この結果はMethanococcus jannaschii tRNATyrCUAがtRNAGlnCUAよりも良好な大腸菌シンテターゼの基質であることを示している。従って、非天然アミノ酸を大腸菌中のタンパク質に送達するためにMethanococcus jannaschii tRNATyrCUAをin vivo使用するならば、天然アミノ酸も大腸菌シンテターゼにより誤って負荷される可能性があり、異種アミノ酸組込みを生じる恐れがある。   In order to test the orthogonality of this suppressor tRNA in E. coli, an amber codon was introduced into the permissive site of β-lactamase (Ala184). For example, D.C. R. Liu, P.A. G. Schultz, Progress to the evolution of an organicism with an expanded genetic code. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96: 4780-4785 (1999). A tRNA that can be loaded by E. coli synthetase suppresses the amber codon and allows the cell to survive in the presence of ampicillin. Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA suppresses the amber codon in the β-lactamase gene with an IC 50 value of 56 μg / ml ampicillin. See Wang et al. (2000), supra. In contrast, when orthogonal tRNAGlnCUA derived from Saccharomyces cerevisiae tRNAGln2 is tested in the same assay, the IC 50 is 21 μg / ml ampicillin. See Liu & Schultz, (1999), supra. The IC50 of E. coli in the absence of suppressor tRNA is 10 μg / ml ampicillin. This result indicates that Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA is a better substrate for E. coli synthetase than tRNAGlnCUA. Thus, if Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA is used in vivo to deliver unnatural amino acids to proteins in E. coli, the natural amino acids can also be misloaded by E. coli synthetase and can result in heterologous amino acid incorporation .

内在大腸菌シンテターゼによる認識を防ぐために「ネガティブ認識決定基」の導入によりMethanococcus jannaschii tRNATyrCUAの直交性の改善を行った。これらの突然変異はtRNAとそのコグネイトMethanococcus jannaschii TyrRS又はリボソームとの相互作用を強く妨害するものであってはならない。Methanococcus jannaschii TyrRSはアンチコドン結合ドメインの大半を欠失しているので(例えばB.A.Steer,P.Schimmel,Major anticodon−binding region missing from an archaebacterial tRNA synthetase,J.Biol.Chem.274:35601−35606(1999)参照)、tRNAのアンチコドンループに導入した突然変異はTyrRS認識に最小の影響しかないと予想される。4個のランダム突然変異ヌクレオチドをもつアンチコドンループライブラリーを構築した。図9参照。各種大腸菌tRNAのアイデンティティーエレメントの組合せと位置は多様であるので、付加位置に突然変異を導入すると、所望特性をもつ突然変異体tRNAをみつける確率を増すことができる。そこで、全tRNAループの非保存位置に突然変異を含む第2のライブラリー(全ループライブラリー)も構築した。図9参照。保存ヌクレオチドはランダム突然変異させず、tRNAの「L」字形構造を安定化する三次相互作用を維持した。例えばG.Dirheimer,G.Keith,P.Dumas,E.Westhof,Primary,secondary,and tertiary structures of tRNAs,in:D.Soll,U.L.RajBhandary(編),tRNA Structure,Biosynthesis,and Function,ASM Press,Washington,DC,1995,pp.93−126;及びR.Giege,M.Sissler,C.Florentz,Universal rules and idiosyncratic features in tRNA identity,Nucleic Acids Res.26:5017−5035(1998)参照。ステムヌクレオチドを1個置換するには補償突然変異が必要であるのでステムヌクレオチドも突然変異させなかった。11個のヌクレオチド(C16,C17,U17a,U20,C32,G37,A38,U45,U47,A59及びU60)をランダム突然変異させた。図9参照。このライブラリーの理論寸法は約4.19×106 であり、突然変異体ライブラリーを完全にカバーするように約1.93×108 コロニー形成単位の寸法のライブラリーを構築した。   In order to prevent recognition by endogenous Escherichia coli synthetase, the orthogonality of Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA was improved by introducing a “negative recognition determinant”. These mutations must not strongly interfere with the interaction of the tRNA with its cognate Methanococcus jannaschii TyrRS or ribosome. Since Methanococcus jannaschii TyrRS lacks most of the anticodon binding domain (e.g., BA Steer, P. Schimmel, Major anticodon-binding region mischia tanchaetacter. Et al. 35606 (1999)), mutations introduced into the anticodon loop of tRNA are expected to have minimal effect on TyrRS recognition. An anticodon loop library with 4 randomly mutated nucleotides was constructed. See FIG. Since the combinations and positions of the identity elements of various E. coli tRNAs are diverse, introduction of mutations at additional positions can increase the probability of finding mutant tRNAs having the desired characteristics. Therefore, a second library containing all mutations at non-conserved positions of all tRNA loops (all loop library) was also constructed. See FIG. The conserved nucleotides were not randomly mutated and maintained a tertiary interaction that stabilized the “L” shaped structure of the tRNA. For example, G. Dirheimer, G .; Keith, P .; Dumas, E .; Westoff, Primary, secondary, and tertiary structures of tRNAs, in: D.C. Soll, U.D. L. RajBhandary (eds.), TRNA Structure, Biosynthesis, and Function, ASM Press, Washington, DC, 1995, pp. 93-126; Giege, M .; Sissler, C.I. Florentz, Universal rules and idiosyncratic features in tRNA identity, Nucleic Acids Res. 26: 5017-5035 (1998). Since a compensation mutation is required to replace one stem nucleotide, the stem nucleotide was not mutated. Eleven nucleotides (C16, C17, U17a, U20, C32, G37, A38, U45, U47, A59 and U60) were randomly mutated. See FIG. The theoretical size of this library is about 4.19 × 10 6 and a library with a size of about 1.93 × 10 8 colony forming units was constructed to completely cover the mutant library.

本方法ではGibco/BRLから入手した大腸菌株(例えばDH10B)を使用した。サプレッサーtRNA発現プラスミドはプラスミド(例えばpAC123)から誘導した。例えばD.R.Liu,T.J.Magliery,M.Pastrnak,P.G.Schultz,Engineering a tRNA and aminoacyl−tRNA synthetase for the site−specific incorporation of unnatural amino acids into proteins in vivo,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 94:10091−10097(1997)参照。ネガティブ選択用プラスミドは後述するようなプラスミド(例えばpBATS、pYsupA38B2及びpYsupA38B3)から誘導した。例えばK.Gabriel,W.H.McClain,A set of plasmids constitutively producing different RNA levels in Escherichia coli,J.Mol.Biol.290(1999)385−389;及びLiu & Shultz,(1999),前出参照。   In this method, an E. coli strain (eg, DH10B) obtained from Gibco / BRL was used. The suppressor tRNA expression plasmid was derived from a plasmid (eg, pAC123). For example, D.C. R. Liu, T .; J. et al. Magliay, M .; Pastrnak, P.A. G. Schultz, Engineering a tRNA and aminoacyl-tRNA synthetase for the site-specific information of unnatural amino acids into protein in vivo. Natl. Acad. Sci. USA 94: 10091-10097 (1997). Negative selection plasmids were derived from plasmids as described below (for example, pBATS, pYsupA38B2 and pYsupA38B3). For example, K.K. Gabriel, W.M. H. McClain, A set of plasmids, producing producing differential RNA levels in Escherichia coli, J. Biol. Mol. Biol. 290 (1999) 385-389; and Liu & Shultz, (1999), supra.

直交性が増したMethanococcus jannaschii tRNAライブラリーのメンバーを選択するために、コグネイトシンテターゼの不在下と存在下のネガティブ選択とポジティブ選択の組合せを使用した。図8参照。ネガティブ選択では、セレクターコドン(例えばアンバーナンセンス)をネガティブマーカー遺伝子(例えば毒性遺伝子)の例えば非必須位置に導入する。突然変異(例えばサプレッサー)tRNAライブラリーのメンバーが内在(例えば大腸菌)シンテターゼによりアミノアシル化される(即ち大腸菌シンテターゼに対して直交性でない)ならば、セレクターコドンは抑圧され、毒性遺伝子産物が生産され、細胞死に至る。直交tRNA又は非機能的tRNAをもつ細胞のみが生存することができる。その後、全生存細胞をポジティブ選択し、セレクターコドン(例えばアンバーコドン)をポジティブ選択マーカー(例えば薬剤耐性遺伝子)の例えば非必須位置に挿入する。その後、同時発現したコグネイトシンテターゼによりアミノアシル化され、このセレクターコドンに応答してアミノ酸を挿入することができるtRNAを選択する。非機能的tRNA又は所期シンテターゼにより認識することができないtRNAを含む細胞は抗生物質に感受性である。従って、(1)内在大腸菌シンテターゼの基質でなく、(2)所期シンテターゼによりアミノアシル化することができ、(3)翻訳能力のあるtRNAのみが両者選択後に生存している。   A combination of negative and positive selection in the absence and presence of cognate synthetase was used to select members of the Methanococcus jannaschii tRNA library with increased orthogonality. See FIG. In negative selection, a selector codon (eg, amber nonsense) is introduced into, for example, a non-essential position of a negative marker gene (eg, a toxic gene). If a member of a mutated (eg suppressor) tRNA library is aminoacylated (ie not orthogonal to E. coli synthetase) by an endogenous (eg E. coli) synthetase, the selector codon is suppressed and a toxic gene product is produced, It leads to cell death. Only cells with orthogonal tRNAs or nonfunctional tRNAs can survive. Thereafter, all viable cells are positively selected and a selector codon (eg, amber codon) is inserted, eg, at a non-essential position of a positive selection marker (eg, drug resistance gene). Thereafter, a tRNA that is aminoacylated by co-expressed cognate synthetase and can insert an amino acid in response to the selector codon is selected. Cells containing non-functional tRNA or tRNA that cannot be recognized by the intended synthetase are sensitive to antibiotics. Therefore, (1) it can be aminoacylated with the intended synthetase instead of a substrate for endogenous E. coli synthetase, and (3) only a tRNA capable of translation survives after both selections.

その天然阻害剤であるバルスターの不在下に大腸菌で生産した場合のバルナーゼの毒性を利用したネガティブ選択を採用した。例えばR.W.Hartley,Barnase and barstar.Expression of its cloned inhibitor permits expression of a cloned ribonuclease,J.Mol.Biol.202:913−915(1988)参照。バルナーゼの三次元構造の分析に基づいてバルナーゼ遺伝子の非必須位置にアンバーコドンを導入した。例えばLiu & Schultz,(1999),前出参照。バルナーゼは自家毒性が非常に強いので、バルナーゼを発現するプラスミドに低コピー数pSC101起点を導入した。更に、選択のストリンジェンシーを調節するためにアンバーコドンの数を変えて試験した。プラスミドpSCB2を使用し、Gln2とAsp44に2個のアンバー終止コドンをもつバルナーゼ突然変異体を発現させ、プラスミドpSCB3には更にGly65にもアンバー終止コドンを付加した。   Negative selection using the toxicity of barnase when produced in E. coli in the absence of its natural inhibitor, barster, was employed. For example, R.A. W. Hartley, Barnase and barstar. Expression of it cloned inhibitor permits expression of a cloned ribose, J. Exp. Mol. Biol. 202: 913-915 (1988). Based on the analysis of the three-dimensional structure of barnase, an amber codon was introduced at a non-essential position of the barnase gene. See, for example, Liu & Schultz, (1999), supra. Since barnase is very autotoxic, a low copy number pSC101 origin was introduced into the plasmid expressing barnase. In addition, the number of amber codons was varied to test the stringency of selection. Plasmid pSCB2 was used to express a barnase mutant with two amber stop codons in Gln2 and Asp44, and an amber stop codon was also added to plasmid pSCB3 in Gly65.

ネガティブ選択には、以下のオリゴヌクレオチドLW115:5' −ATGCATGCTGCATTAATGAATCGGCCAACG−3' 及びLW116:5' −TCCCCGCGGAGGTGGCACTTTTCGGGG−3' を使用してpBATSからβラクタマーゼ遺伝子とpSC101起点を含むPCRフラグメントを作製した。SacIIとSphIで消化することにより夫々pYsupA38B2とpYsupA38B3から2個(残基Gln2及びAsp44)又は3個(残基Gln2、Asp44及びGly65)のアンバーコドンを含むバルナーゼをコードするDNAを得た。上記フラグメントをライゲートし、プラスミドpSCB2及びpSCB3を得た。バルナーゼの発現はアラビノースで誘導した。in vivo発現のために各種サプレッサーtRNAをコードする遺伝子を2個のオーバーラップする合成オリゴヌクレオチド(Operon,Alameda,CA,米国)からKlenow伸長により構築し、pAC123のEcoRI−PstI部位間に挿入し、lppプロモーターとrrnCターミネーターの制御下に転写するpAC−YYG1とpAC−JYを夫々作製した。pAC−CmはtRNAをもたない対照プラスミドである。ネガティブ選択条件を最適化するために、pSCB2又はpSCB3を含むコンピテントDH10B細胞をエレクトロポレーションによりpAC−Cm、pAC−YYG1及びpAC−JYで別々に形質転換した。単コロニーを釣菌し、クロラムフェノコール(Cm,34μg/ml)とアンピシリン(Amp,100μg/ml)を加えた2×YTで増殖させた。一晩増殖させた細胞培養液を1%グリセロールと0.3mMロイシンを加えた最少培地(GMML)で2回洗浄し、CmとAmpを加えたGMMLにOD600=0.1まで再懸濁した。30℃で10分間再生後に第1の培養液(第1組)に20mMアラビノースを加えてバルナーゼの発現を誘導し、第2の培養液(第2組)にはアラビノースを加えなかった。各時点で少量の培養液を希釈し、CmとAmpを加えた2×YT寒天に撒き、細胞密度を測定した。サプレッサーtRNAライブラリーのネガティブ選択のために、pSCB2を含むDH10B細胞にライブラリーを含むpACプラスミドを形質転換した。SOC培地を加えて細胞をクエンチし、30℃で1時間再生した後、リン酸緩衝液とGMMLで洗浄し、GMML1リットル中で培養した。30℃で30分間再生後にCm、Amp及び20mMアラビノースを加えた。36時間後に細胞をペレット化し、pACプラスミドを単離し、アガロースゲル電気泳動により精製した。   For the negative selection, the following oligonucleotides LW115: 5′-ATGCATGCTGCATTAATGAATCGGCCAACG-3 ′ and LW116: 5′-TCCCCGCGGAGGTGGCACTTTTCGGGG-3 ′ were used to generate a PCR fragment containing the β-lactamase gene and pSC101 origin from pBATS. Digestion with SacII and SphI resulted in DNAs encoding barnase containing two (residues Gln2, Asp44 and Gly65) amber codons from pYsupA38B2 and pYsupA38B3, respectively. The above fragments were ligated to obtain plasmids pSCB2 and pSCB3. Barnase expression was induced with arabinose. A gene encoding various suppressor tRNAs for in vivo expression was constructed from two overlapping synthetic oligonucleotides (Operon, Alameda, CA, USA) by Klenow extension and inserted between the EcoRI-PstI sites of pAC123; pAC-YYG1 and pAC-JY that transcribe under the control of lpp promoter and rrnC terminator were prepared, respectively. pAC-Cm is a control plasmid without tRNA. To optimize negative selection conditions, competent DH10B cells containing pSCB2 or pSCB3 were separately transformed with pAC-Cm, pAC-YYG1 and pAC-JY by electroporation. Single colonies were picked and grown in 2 × YT supplemented with chloramphenocol (Cm, 34 μg / ml) and ampicillin (Amp, 100 μg / ml). The cell culture grown overnight was washed twice with minimal medium (GMML) supplemented with 1% glycerol and 0.3 mM leucine and resuspended in GMML supplemented with Cm and Amp until OD600 = 0.1. After regeneration at 30 ° C. for 10 minutes, 20 mM arabinose was added to the first culture solution (first set) to induce barnase expression, and no arabinose was added to the second culture solution (second set). At each time point, a small amount of the culture broth was diluted and plated on 2 × YT agar containing Cm and Amp, and the cell density was measured. For negative selection of the suppressor tRNA library, DH10B cells containing pSCB2 were transformed with the pAC plasmid containing the library. The cells were quenched by adding SOC medium, regenerated at 30 ° C. for 1 hour, washed with phosphate buffer and GMML, and cultured in 1 liter of GMML. After regeneration at 30 ° C. for 30 minutes, Cm, Amp and 20 mM arabinose were added. Cells were pelleted after 36 hours and the pAC plasmid was isolated and purified by agarose gel electrophoresis.

選択条件を最適化するために、大腸菌シンテターゼにより正しく認識されることが分かっている2個のサプレッサーtRNAを使用した。Saccharomyces cerevisiaeに由来する突然変異体サプレッサーtRNATyr(pAC−YYG1で発現させたsc−tRNATyrCUA)はβラクタマーゼ遺伝子のアンバーコドン(Ala184TAG)を抑圧し、大腸菌細胞のIC50が12μg/mlアンピシリンであり、Methanococcus jannaschiiに由来するサプレッサーtRNATyr(pAC−JYで発現させたmj−tRNATyrCUA)は大腸菌細胞のIC50が56μg/mlである。例えばWangら,(2000),前出参照。これに対して、Saccharomyces cerevisiae tRNAGln2に由来するサプレッサーtRNAGlnCUAを同一アッセイで試験するとIC50=21μg/mlアンピシリンであり、in vitro及びin vivoで大腸菌シンテターゼに直交性であることが判明した。例えばLiu & Schultz,(1999),前出参照。従って、mj−tRNATyrCUAを発現する細胞を排除し且つsc−tRNATyrCUAを発現する細胞の増殖を許容するネガティブ選択は非直交サプレッサーtRNAを排除する。1%グリセロールと0.3mMロイシンを加えた液体最少培地(GMML)にプラスミドpSCB2とpACプラスミドを維持するのに適した抗生物質を加えて細胞を増殖させた。第1組の細胞(第1組)にはバルナーゼの発現を誘導するためにアラビノースを加え、第2組にはアラビノースを加えなかった。選択後に生存している細胞画分を第1組と第2組の細胞密度の比により決定した。図11参照。対照プラスミドpAC−Cm(サプレッサーtRNAなし)とプラスミドpAC−YYG1を含む細胞は生存したが、プラスミドpAC−JYを含む細胞は大半が死滅した。プラスミドpSCB3を使用した場合には、プラスミドpAC−JYを含む細胞は24時間以内に増殖し始めた。従って、上記ライブラリー選択条件下で2個のアンバーコドンを含むバルナーゼ遺伝子をコードするpSCB2を使用してネガティブ選択を実施した。   In order to optimize the selection conditions, two suppressor tRNAs known to be correctly recognized by E. coli synthetase were used. Mutant suppressor tRNATyr derived from Saccharomyces cerevisiae (sc-tRNATyrCUA expressed in pAC-YYG1) suppresses the amber codon (Ala184TAG) of β-lactamase gene, and the IC50 of E. coli cells is 12 μg / ml ampicillin. The suppressor tRNATyr derived from (mj-tRNATyrCUA expressed in pAC-JY) has an IC50 of E. coli cells of 56 μg / ml. See, eg, Wang et al. (2000), supra. In contrast, when the suppressor tRNAGlnCUA derived from Saccharomyces cerevisiae tRNAGln2 was tested in the same assay, IC50 = 21 μg / ml ampicillin was found to be orthogonal to E. coli synthetase in vitro and in vivo. See, for example, Liu & Schultz, (1999), supra. Thus, a negative selection that eliminates cells expressing mj-tRNATyrCUA and allows growth of cells expressing sc-tRNATyrCUA eliminates non-orthogonal suppressor tRNAs. Cells were grown in liquid minimal medium (GMML) supplemented with 1% glycerol and 0.3 mM leucine with antibiotics suitable for maintaining plasmid pSCB2 and pAC plasmid. Arabinose was added to the first set of cells (first set) to induce barnase expression, and no arabinose was added to the second set. The fraction of cells surviving after selection was determined by the ratio of the cell density of the first and second sets. See FIG. Cells containing control plasmid pAC-Cm (without suppressor tRNA) and plasmid pAC-YYG1 survived, but most cells containing plasmid pAC-JY died. When plasmid pSCB3 was used, cells containing plasmid pAC-JY began to grow within 24 hours. Therefore, negative selection was performed using pSCB2 encoding a barnase gene containing two amber codons under the above library selection conditions.

ポジティブ選択には、オリゴヌクレオチドLW104:5' −GGAATTCCATTAGGACGAATTTGAAATG−3' 及びLW105:5' −AAACTGCAGTTATAATCTCTTTCTAATTGGCTC−3' を使用してpBLAM−YQRSのNdeI−PstI部位間にpBSA50からのMethanococcus jannaschii TyrRS遺伝子を挿入することによりプラスミド(例えばpBLAM−JYRS)を構築した。例えばSteerら,(1999),前出、及びLiu & Schultz,(1999),前出参照。ポジティブ選択条件を最適化するために、pBLAM−JYRSを含むコンピテントDH10B細胞をpAC−Cm、pAC−YYG1及びpAC−JYで別々に形質転換した。単コロニーを釣菌し、Cmとテトラサイクリン(Tet,40μg/ml)を加えた2×YTで増殖させた。液相選択では、出発時のOD600が0.1となるようにCmとTetを加えた2×YTで一晩細胞培養液を希釈した。各種濃度のAmpを加え、OD600により細胞増殖をモニターした。プレート選択では、CmとTetと一方の組には500μg/mlAmpも加えた2×YT寒天プレート2組に細胞約103〜105個を撒いた。突然変異体tRNAライブラリーの選択では、pBLAM−JYRSを含むコンピテントDH10B細胞にネガティブ選択からの細胞から単離したpACプラスミドを形質転換した。細胞を37℃で45分間再生させ、Cm、Tet及び500μg/ml Ampを加えた各2×YT寒天プレートに細胞約105個を撒いた。24時間後にコロニーを釣菌し、Cm、Tet及び200μg/ml Ampを加えた2×YT6ml中で再増殖させた。DNAを単離し、アガロースゲル電気泳動により精製した。   For positive selection, the oligonucleotide LW104: 5′-GGAATTCCATTAGGACGGAATTTTGAAATG-3 ′ and LW105: 5′-AAACTGCAGGTTAATCTCTTTCTATAATTGCTC-3 ′ is used to insert the gene from RSBco50 into RSBco50 from the NdeI-PstI site. A plasmid (for example, pBLAM-JYRS) was constructed. See, eg, Steer et al. (1999), supra, and Liu & Schultz, (1999), supra. To optimize the positive selection conditions, competent DH10B cells containing pBLAM-JYRS were separately transformed with pAC-Cm, pAC-YYG1 and pAC-JY. Single colonies were picked and grown in 2 × YT supplemented with Cm and tetracycline (Tet, 40 μg / ml). In the liquid phase selection, the cell culture solution was diluted overnight with 2 × YT to which Cm and Tet were added so that the starting OD600 was 0.1. Various concentrations of Amp were added and cell growth was monitored by OD600. In plate selection, about 103 to 105 cells were seeded on 2 sets of 2 × YT agar plates in which 500 μg / ml Amp was also added to one set of Cm and Tet. For selection of the mutant tRNA library, competent DH10B cells containing pBLAM-JYRS were transformed with the pAC plasmid isolated from cells from the negative selection. The cells were regenerated for 45 minutes at 37 ° C., and about 105 cells were plated on each 2 × YT agar plate supplemented with Cm, Tet and 500 μg / ml Amp. After 24 hours, colonies were picked and regrown in 6 ml of 2 × YT supplemented with Cm, Tet and 200 μg / ml Amp. DNA was isolated and purified by agarose gel electrophoresis.

ポジティブ選択はTEM−1βラクタマーゼ遺伝子のAla184位に導入したアンバー終止コドンの抑圧に基づいて行う。プラスミドpBLAM−JYRSはMethanococcus jannaschiiチロシルtRNAシンテターゼの遺伝子とAla184にアンバー突然変異をもつβラクタマーゼをコードする。ネガティブ選択後に生存している細胞から単離したpACプラスミドをpBLAM−JYRSと共に大腸菌DH10B細胞に同時形質転換した。非機能的tRNA又はMethanococcus jannaschiiシンテターゼの弱い基質であるtRNAを含む細胞は死滅し、シンテターゼにより負荷することができるtRNAをもつ細胞は生存する。ポジティブ選択の実施可能性を試験するために、Methanococcus jannaschii TyrRSの存在下に2種のモデルサプレッサーtRNAを試験した。sc−tRNATyrCUAはG1:C72塩基対をもち、効率的にMethanococcus jannaschii TyrRSにより負荷されない。これをAla184アンバーβラクタマーゼ突然変異体と細胞で同時発現させると、細胞はIC50=18μg/mlアンピシリンまで生存した。他方、Methanococcus jannaschii tRNATyrCUAとコグネイトTyrRSを含む細胞はIC50=1220μg/mlアンピシリンまで生存した。例えばWangら,(2000),前出参照。モデルポジティブ選択をまず液体2×YT培地で試した。各種濃度のアンピシリンを加えた液体2×YT培地でpBLAM−JYRSと各種pACプラスミドを含む細胞を増殖させた結果を図12Aに示す。mj−tRNATyrCUAで形質転換した細胞はアンピシリン濃度が高いと速い速度で増殖した。細胞を24時間以上増殖させると、pAC−Cm又はpAC−YYG1で形質転換した細胞も飽和まで増殖した。従って、ポジティブ選択をプレートで103〜105/プレートの初期細胞密度で実施した。図12B参照。生存率(アンピシリンを加えないプレートに対するアンピシリンを加えたプレートのコロニー数)は初期細胞密度を変えても有意に変化せず、増殖時間を通して安定であった。アンピシリンプレートでのポジティブ選択の結果、mj−tRNATyrCUAを発現させた細胞が優先的に増殖した。従って、ライブラリー選択には液体培地でなくプレートでポジティブ選択を行った。   Positive selection is performed based on suppression of the amber stop codon introduced at position Ala184 of the TEM-1β lactamase gene. The plasmid pBLAM-JYRS encodes the gene for Methanococcus jannaschii tyrosyl-tRNA synthetase and β-lactamase with an amber mutation in Ala184. The pAC plasmid isolated from cells surviving after negative selection was cotransformed with pBLAM-JYRS into E. coli DH10B cells. Cells that contain non-functional tRNAs or tRNAs that are weak substrates of Methanococcus jannaschii synthetase die, and cells with tRNAs that can be loaded by the synthetase survive. In order to test the feasibility of positive selection, two model suppressor tRNAs were tested in the presence of Methanococcus jannaschii TyrRS. sc-tRNATyrCUA has G1: C72 base pairs and is not efficiently loaded by Methanococcus jannaschii TyrRS. When this was co-expressed in cells with the Ala184 amber β-lactamase mutant, the cells survived to an IC 50 = 18 μg / ml ampicillin. On the other hand, cells containing Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA and cognate TyrRS survived to IC 50 = 1220 μg / ml ampicillin. See, eg, Wang et al. (2000), supra. Model positive selection was first tested in liquid 2 × YT medium. FIG. 12A shows the result of growing cells containing pBLAM-JYRS and various pAC plasmids in a liquid 2 × YT medium to which various concentrations of ampicillin were added. Cells transformed with mj-tRNATyrCUA proliferated at a high rate when ampicillin concentration was high. When cells were grown for more than 24 hours, cells transformed with pAC-Cm or pAC-YYG1 also grew to saturation. Therefore, positive selection was performed on plates with an initial cell density of 103-105 / plate. See FIG. 12B. Viability (number of colonies on plates with ampicillin added to plates without ampicillin) did not change significantly with changing initial cell density and was stable throughout the growth time. As a result of positive selection on an ampicillin plate, cells expressing mj-tRNATyrCUA proliferated preferentially. Therefore, for library selection, positive selection was performed on plates rather than liquid media.

アンチコドンループライブラリーを構築するために使用した2個のオーバーラップするオリゴヌクレオチド(tRNA配列を下線で示す):LW125:5' −GGAATTC−3' 及びLW126:5' −AAAACTGCAG−3' (配列中、Nは等モルのA、C、T又はGである)を使用することにより突然変異体tRNAのライブラリーを作製した。全ループライブラリーのオリゴヌクレオチド配列はLW145:5' −GGAATTC−3' 及びLW146:5' −AAAACTGCAG−3' である。これらの遺伝子を上記と同様にpAC123に挿入し、tRNAライブラリーを得た。   Two overlapping oligonucleotides used to construct the anticodon loop library (tRNA sequences are underlined): LW125: 5′-GGAATTC-3 ′ and LW126: 5′-AAAACTGCAG-3 ′ (in sequence) , N is equimolar A, C, T, or G) to create a library of mutant tRNAs. The oligonucleotide sequences of the entire loop library are LW145: 5′-GGAATTC-3 ′ and LW146: 5′-AAAACTGCAG-3 ′. These genes were inserted into pAC123 as described above to obtain a tRNA library.

アンチコドンループ及び全ループ両者のライブラリーでネガティブ及びポジティブ選択を上記のようにタンデムで実施した。選択したサプレッサーtRNAを単離し、pBLAMを含む大腸菌DH10Bに再形質転換し、大腸菌シンテターゼに対するtRNAの直交性を試験した。次に、pBLAM−JYRSを含む大腸菌にtRNAを再形質転換し、tRNAがMethanococcus jannaschii TyrRSによりどの程度の効率で負荷されたかを試験した。アンチコドンループライブラリーの1回のネガティブ及びポジティブ選択から得られたクローンを配列決定した処、3個の独立したtRNAが単離されたことが分かった。図13参照。pBLAMと同時形質転換した場合には、IC50値は全てMethanococcus jannaschii tRNATyrCUAよりも低く、より弱い大腸菌シンテターゼの基質であることが分かった。   Negative and positive selections were performed in tandem as described above on both the anticodon loop and the entire loop library. Selected suppressor tRNAs were isolated, retransformed into E. coli DH10B containing pBLAM, and tested for tRNA orthogonality to E. coli synthetase. Next, tRNA was retransformed into E. coli containing pBLAM-JYRS, and the efficiency of tRNA loading by Methanococcus jannaschii TyrRS was tested. Sequencing of the clones obtained from a single negative and positive selection of the anticodon loop library revealed that three independent tRNAs were isolated. See FIG. When cotransformed with pBLAM, all IC50 values were lower than Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA, indicating a weaker substrate for E. coli synthetase.

突然変異体AA2もMethanococcus jannaschii TyrRSに対して親和性が非常に高かった。この突然変異体tRNAは大腸菌で安定に維持することができたが、理由は不明であるが増殖速度が低下した。恐らくこのために、いずれもランダム突然変異領域の外側に突然変異をもつ突然変異体AA3及びAA4が生じた。AA3又はAA4を含む細胞は正常に増殖した。しかし、AA3とAA4はMethanococcus jannaschii TyrRSの比較的弱い基質であった。   Mutant AA2 also had very high affinity for Methanococcus jannaschii TyrRS. This mutant tRNA could be stably maintained in E. coli, but the growth rate decreased for unknown reasons. Perhaps this resulted in mutants AA3 and AA4, both with mutations outside the random mutation region. Cells containing AA3 or AA4 grew normally. However, AA3 and AA4 were relatively weak substrates for Methanococcus jannaschii TyrRS.

全ループライブラリーを使用する2回のネガティブ及びポジティブ選択から4個の独立tRNAを選択した。図13参照。いずれも親Methanococcus jannaschii tRNATyrCUAよりも弱い大腸菌シンテターゼの基質であったが、in vivoβラクタマーゼアッセイによると依然としてMethanococcus jannaschii TyrRSにより効率的に負荷された。表2参照。最良突然変異体J17を発現する細胞のIC50値は12μg/mlアンピシリンであり、Saccharomyces cerevisiaeに由来する直交tRNAGlnCUAを発現させた細胞(21μg/mlアンピシリン)よりも更に低い値であった。J17をMethanococcus jannaschii TyrRSと同時発現させると、細胞は436μg/mlアンピシリンのIC50値まで生存し、選択窓(TyrRSの存在下のIC50とTyrRSの不在下のIC50の比)は35倍となった。更に、これらの突然変異体tRNAの発現は大腸菌細胞の増殖に影響を与えなかった。
Four independent tRNAs were selected from two negative and positive selections using the entire loop library. See FIG. Both were weaker substrates for E. coli synthetase than the parental Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA, but were still efficiently loaded by Methanococcus jannaschii TyrRS according to the in vivo β-lactamase assay. See Table 2. The IC50 value of the cell expressing the best mutant J17 was 12 μg / ml ampicillin, which was even lower than the cell expressing the orthogonal tRNAGlnCUA derived from Saccharomyces cerevisiae (21 μg / ml ampicillin). When J17 was co-expressed with Methanococcus jannaschii TyrRS, the cells survived to an IC50 value of 436 μg / ml ampicillin and the selection window (ratio of IC50 in the presence of TyrRS to IC50 in the absence of TyrRS) was 35 times. Furthermore, the expression of these mutant tRNAs did not affect the growth of E. coli cells.

表2. 選択したサプレッサーtRNAのin vivoβラクタマーゼアッ
セイ

サプレッサーTyrRS IC50(μg/mLアンピシリン)
pBLAMと同時 pBLAM−JYRS
発現 と同時発現

mj−tRNATyrCUA 56 1220
tRNATyrCUAなし 10 10
アンチコドンループライブラリーから選択した突然変異体tRNA
AA2 22 1420
AA3 10 110
AA4 12 135
全ループライブラリーから選択した突然変異体tRNA
両者選択後に生存している突然変異体tRNA
J15 30 845
J17 12 436
J18 20 632
J22 14 459
ネガティブ選択後のみに生存している突然変異体tRNA
N11 11 16
N12 9 18
N13 10 12
N16 9 9

プラスミドpBLAMを使用してAla184にアンバーコドンをもつβラクタマーゼ遺伝子を発現させ、プラスミドpBLAM−JYRSを使用してアンバー突然変異体とMethanococcus jannaschiiのTyrRSを発現させた。サプレッサーtRNAはpACプラスミドでコードさせ、アッセイでpBLAM又はpBLAM−JYRSと同時形質転換した。
Table 2. In vivo β-lactamase assay of selected suppressor tRNAs

Suppressor TyrRS IC50 (μg / mL ampicillin)
Simultaneously with pBLAM pBLAM-JYRS
Expression and co-expression

mj-tRNATyrCUA 56 1220
No tRNATyrCUA 10 10
Mutant tRNA selected from anticodon loop library
AA2 22 1420
AA3 10 110
AA4 12 135
Mutant tRNA selected from whole loop library
Mutant tRNA surviving after both selections
J15 30 845
J17 12 436
J18 20 632
J22 14 459
Mutant tRNA surviving only after negative selection
N11 11 16
N12 9 18
N13 10 12
N16 9 9

The plasmid pBLAM was used to express the β-lactamase gene having an amber codon in Ala184, and the plasmid pBLAM-JYRS was used to express the amber mutant and TyrRS of Methanococcus jannaschii. Suppressor tRNA was encoded by the pAC plasmid and co-transformed with pBLAM or pBLAM-JYRS in the assay.

選択したサプレッサーtRNAの特性を確認するために、クロラムフェノコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子のアンバーコドンの抑圧に基づく別のin vivoアッセイで試験した。ペリプラズムに分泌されるβ−ラクタマーゼに対して、CATは細胞質に局在する。更にアンピシリンは殺菌性であるが、クロラムフェニコールは静菌性である。下表3に示すように、選択したサプレッサーtRNAは更にCATアッセイで直交性であり、CAT選択に適していることが判明した。   To confirm the properties of selected suppressor tRNAs, they were tested in a separate in vivo assay based on amber codon suppression of the chloramphenocol acetyltransferase (CAT) gene. In contrast to β-lactamase secreted into the periplasm, CAT is localized in the cytoplasm. Furthermore, ampicillin is bactericidal, while chloramphenicol is bacteriostatic. As shown in Table 3 below, the selected suppressor tRNAs were also found to be orthogonal in the CAT assay and suitable for CAT selection.

表3. 選択したサプレッサーtRNAのin vivoクロラムフェニコー
ルアセチルトランスフェラーゼアッセイ

サプレッサーTyrRS IC50(μg/mLクロラムフェニコール)
pYC単独 pYC+pBK−JYRS
mj−tRNATyrCUA 27 308
tRNATyrCUAなし 3 3
J15 11 297
J17 4 240
J18 6 284
J22 5 271

pYCプラスミドはAsp112にアンバーコドンをもつクロラムフェノコールアセチルトランスフェラーゼと表の左欄に示した各種サプレッサーtRNAをコードした。pBK−JYRSを使用してMethanococcus jannaschiiのTyrRSを発現させた。
Table 3. In vivo chloramphenicol acetyltransferase assay of selected suppressor tRNAs

Suppressor TyrRS IC50 (μg / mL chloramphenicol)
pYC alone pYC + pBK-JYRS
mj-tRNATyrCUA 27 308
No tRNATyrCUA 3 3
J15 11 297
J17 4 240
J18 6 284
J22 5 271

The pYC plasmid encoded chloramphenol acetyltransferase having an amber codon at Asp112 and various suppressor tRNAs shown in the left column of the table. pBK-JYRS was used to express Methanococcus jannaschii TyrRS.

βラクタマーゼ遺伝子のアンバーコドンの抑圧に基づくin vivo相補アッセイを従来の記載通りに実施した。例えばLiu & Schultz,(1999),前出;及びWangら,(2000),前出参照。クロラムフェノコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)アッセイではpACYC184のCAT遺伝子のAsp112をアンバーコドンで置換し、pACMD112TAGとした。例えばM.Pasternak,T.J.Magliery,P.G.Schultz,A new orthogonal suppressor tRNA/aminoacyl−tRNA synthetase pair for evolving an organism with an expanded genetic code,Helv.Chim.Acta 83:2277−2286(2000)参照。lppプロモーターとrrnCターミネーターの制御下にサプレッサーtRNAをコードする遺伝子をaPCプラスミドからNcoIとAvaIで切出し、予め消化しておいたpACMD112TAGに挿入し、夫々プラスミドpYC−JY、pYC−J15、pHC−J17、pYC−J18及びpYC−J22を得た。pBR322の誘導体であるプラスミドpBK−JYRSを使用し、大腸菌GlnRSプロモーター及びターミネーターの制御下にMethanococcus jannaschii TyrRSを発現させた。広い濃度範囲のクロラムフェノコールを増殖培地に加えて滴定し、pYCプラスミド単独又はpYCをpBK−JYRSと同時形質転換した大腸菌DH10B細胞の生存を調べ、曲線からIC50値を補間した。   An in vivo complementation assay based on amber codon suppression of the β-lactamase gene was performed as previously described. See, eg, Liu & Schultz, (1999), supra; and Wang et al., (2000), supra. In the chloramphenocol acetyltransferase (CAT) assay, Asp112 of the CAT gene of pACYC184 was replaced with an amber codon to obtain pACMD112TAG. For example, M.M. Pasternak, T .; J. et al. Magliay, P.M. G. Schultz, A new orthodontic suppressor tRNA / aminoacyl-tRNA synthetase pair for developing an organic gene, Helv. Chim. Acta 83: 2277-2286 (2000). Under the control of the lpp promoter and rrnC terminator, the gene encoding the suppressor tRNA was excised from the aPC plasmid with NcoI and AvaI, inserted into pACMD112TAG that had been previously digested, and plasmids pYC-JY, pYC-J15, pHC-J17, pYC-J18 and pYC-J22 were obtained. The plasmid pBK-JYRS, a derivative of pBR322, was used to express Methanococcus jannaschii TyrRS under the control of the E. coli GlnRS promoter and terminator. A wide concentration range of chloramphenocol was added to the growth medium and titrated, the survival of E. coli DH10B cells co-transformed with pYC plasmid alone or pYC with pBK-JYRS was examined, and IC50 values were interpolated from the curves.

比較のために、ネガティブ選択のみを通過した4個のコロニーをランダムに釣菌し、in vivo相補アッセイを使用してtRNAを試験した。pBLAMで形質転換した場合にはいずれもIC50値が非常に低く、ネガティブ選択が良好に機能していることが判明した。表2参照。pBLAM−JYRSと同時形質転換した場合にもIC50値は非常に低く、ポジティブ選択がMethanococcus jannaschii TyrRSにより負荷できないtRNAを排除するように機能していることが判明した。   For comparison, 4 colonies that passed only negative selection were randomly picked and tested for tRNA using an in vivo complementation assay. When transformed with pBLAM, the IC50 value was very low in all cases, indicating that the negative selection functioned well. See Table 2. IC50 values were also very low when cotransformed with pBLAM-JYRS, indicating that positive selection functions to eliminate tRNA that cannot be loaded by Methanococcus jannaschii TyrRS.

選択したtRNAのDNA配列を分析した処、ヌクレオチド置換の特徴的パターンが明らかになった。図13参照。ネガティブ選択とポジティブ選択の両者を通過したtRNAはいずれもC32とT60が不変であり、G37がAに突然変異し、T17がA又はGに突然変異していた。半保存変異として、A38からC又はAへの突然変異、T45からT又はAへの突然変異、T47からG又はTへの突然変異もあった。他の突然変異には明白な共通パターンがなかった。ネガティブ選択のみを通過した20個のtRNAも配列決定した処(そのうちの4個を図13に示す)、いずれも上記共通突然変異の少なくとも1個を欠いていることが判明した。   Analysis of the DNA sequence of the selected tRNA revealed a characteristic pattern of nucleotide substitutions. See FIG. In both tRNAs that passed both negative selection and positive selection, C32 and T60 were unchanged, G37 was mutated to A, and T17 was mutated to A or G. Semiconservative mutations included A38 to C or A mutations, T45 to T or A mutations, and T47 to G or T mutations. Other mutations had no obvious common pattern. Twenty tRNAs that passed only negative selection were also sequenced (four of which are shown in FIG. 13) and all were found to lack at least one of the common mutations.

選択した突然変異体サプレッサーtRNAにおける好適ヌクレオチドは次の役割を果たすことができる。(i)大腸菌シンテターゼによる認識のネガティブ決定基として機能することができる。(ii)Methanococcus jannaschii TyrRSによるアミノアシル化のアイデンティティーエレメントを識別することができる。又は(iii)tRNAの抑圧効率を増すようにtRNAと大腸菌翻訳機構の相互作用を最適化することもできる。アンチコドンループ及び全ループの両ライブラリーから選択したtRNAにG37A突然変異が認められたことに注目すべきである。この突然変異は37位のアデニンがアンバー抑圧効率を増すことを示した従来の報告に一致している。例えばM.Yarus,Translational efficiency of transfer RNA' s:Use of an expanded anticodon,Science 218:646−652(1982);D.Bradley,J.V.Park,L.Soll,tRNA2Gln Su+2 mutants that increase amber suppresion,J.Bacteriol.145:704−712(1982);及びL.G.Kleina,J.Masson,J.Normanly,J.Aberlson,J.H.Miller,Constrution of Escherichia coli amber auppressor tRNA genes.II.Synthesis of additional tRNA genes and improvement of suppressor efficiency,J.Mol.Biol.213:705−717(1990)参照。FechterらはMethanococcus jannaschii tRNATyrの完全なアイデンティティーセットが6ヌクレオチド(C1G72A73及びアンチコドンG34U35A36)であることを最近報告している。P.Fechter,J.Rudinger−Thirion,M.Tukalo,R.Giege,Major tyrosine identity determinants in Methanococcus jannaschii and Saccharomyces cerevisiae tRNATyr are conserved but expressed differently,Eur.J.Biochem.268:761−767(2001)参照。従って、選択した全突然変異体サプレッサーにおけるC32とT60の存在はMethanococcus jannaschii TyrRSによる認識に必要ない。大腸菌tRNAは4個のtRNAがCである以外は全てが60位にTをもつ。M.Sprinzl,C.Horn,M.Brown,A.Loudovitch,S.Steinberg,Compilation of tRNA sequences and sequences of tRNA genes,Nucleic Acids Res.26:148−153(1998)参照。酵母tRNAPheの結晶構造によると、ヌクレオチド60は他のヌクレオチドと相互作用しない。J.L.Sussman,S.R.Holbrook,R.W.Warrant,G.M.Church,S.H.Kim,Crystal structure of yeast phenylalanine transfer RNA.1.Crystallographic refinement,J.Mol.Biol.123:607−630(1978)参照。従って、T60は大腸菌翻訳機構との生産的相互作用のためにTCループの形状を維持すると思われる。TCと保存されたC61の間にヌクレオチドが挿入されるとグリシンtRNAが読み枠をシフトするので、TCループ構造の変化は翻訳忠実性に影響があると思われる。D.J.O' Mahony,B.H.Hims,S.Thompson,E.J.Murgola,J.F.Atkins,Glycine tRNA mutants with normal anticodon loop size cause 1 frameshifting,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 86:7979−7983(1989)参照。C32の役割は明らかでないが、大腸菌tRNAの32位はT、C及びAを含み、2個の大腸菌tRNATyrはC32をもつ。17a位については、tRNAThrのみがこの位置にAをもつ。   Preferred nucleotides in the selected mutant suppressor tRNA can play the following roles: (I) It can function as a negative determinant of recognition by E. coli synthetase. (Ii) The identity element of aminoacylation by Methanococcus jannaschii TyrRS can be identified. Alternatively, (iii) the interaction between the tRNA and the E. coli translation mechanism can be optimized so as to increase the suppression efficiency of the tRNA. Note that the G37A mutation was found in tRNAs selected from both the anticodon loop and the entire loop library. This mutation is consistent with previous reports showing that adenine at position 37 increases amber suppression efficiency. For example, M.M. Yarus, Translational efficiency of transfer RNA's: Use of an expanded anticodon, Science 218: 646-652 (1982); Bradley, J.M. V. Park, L .; Sol, tRNA2Gln Su + 2 mutants that increase amber preparation, J. MoI. Bacteriol. 145: 704-712 (1982); G. Kleina, J .; Masson, J .; Normanly, J.M. Aberlson, J.M. H. Miller, Construction of Escherichia coli amber uppressor tRNA genes. II. Synthesis of additional tRNA genes and improvement of suppressor efficiency, J. et al. Mol. Biol. 213: 705-717 (1990). Fechter et al. Recently reported that the complete identity set of Methanococcus jannaschii tRNATyr is 6 nucleotides (C1G72A73 and anticodon G34U35A36). P. Fechter, J .; Rudinger-Thion, M.M. Tukalo, R.A. Giege, Major tyrosine identity defectives in Methanococcus jannaschii and Saccharomyces cerevisiae tRNATyrare conserved butted expresser. J. et al. Biochem. 268: 761-767 (2001). Thus, the presence of C32 and T60 in all selected mutant suppressors is not required for recognition by Methanococcus jannaschii TyrRS. All E. coli tRNAs have a T at position 60 except that the four tRNAs are C. M.M. Sprinzl, C.I. Horn, M.M. Brown, A.M. Loudovic, S.M. Steinberg, Compilation of tRNA sequences and sequences of tRNA genes, Nucleic Acids Res. 26: 148-153 (1998). According to the crystal structure of yeast tRNAPhe, nucleotide 60 does not interact with other nucleotides. J. et al. L. Sussman, S.M. R. Holbrook, R.A. W. Warrant, G .; M.M. Church, S.M. H. Kim, Crystal structure of yeast phenylalanine transfer RNA. 1. Crystallographic refinement, J. Org. Mol. Biol. 123: 607-630 (1978). Thus, T60 appears to maintain the shape of the TC loop for productive interaction with the E. coli translation machinery. Changes in the TC loop structure may affect translation fidelity because glycine tRNA shifts the reading frame when nucleotides are inserted between TC and conserved C61. D. J. et al. O 'Mahony, B.M. H. Hims, S.M. Thompson, E .; J. et al. Murgola, J. et al. F. Atkins, Glycine tRNA mutants with normal anticode loop size cause 1 flameshifting, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 86: 7979-7983 (1989). Although the role of C32 is not clear, position 32 of E. coli tRNA contains T, C and A, and two E. coli tRNATyr have C32. For position 17a, only tRNAThr has an A at this position.

選択した全サプレッサーtRNAはMethanococcus jannaschii tRNATyrCUAよりも弱い大腸菌シンテターゼの基質であるので、大腸菌に導入すると負荷の誤りが少なくなる。これらのtRNAは宿主細胞の増殖に悪影響を与えずに大腸菌で安定に維持することもできる。更に、効率的にMethanococcus jannaschii TyrRSにより負荷することができる。これらの全特性により、突然変異体サプレッサーtRNAはMethanococcus jannaschii TyrRSと共に非天然アミノ酸の選択的in vivoタンパク質組込みに使用する堅牢な直交tRNA−シンテターゼ対を形成することができる。J17突然変異体サプレッサーtRNAと組換え突然変異体TyrRSを使用し、20種の共通アミノ酸に匹敵する忠実度でTAGコドンに応答してO−メチル−L−チロシンが送達された。L.Wang,A.Brock,B.Herberich,P.G.Schultz,Expanding the genetic code of Escherichia coli,Science,292:498−500(2001)参照。   All selected suppressor tRNAs are weaker substrates for E. coli synthetase than Methanococcus jannaschii tRNA TyrCUA, so that the loading error is reduced when introduced into E. coli. These tRNAs can also be stably maintained in E. coli without adversely affecting host cell growth. Furthermore, it can be efficiently loaded by Methanococcus jannaschii TyrRS. All of these properties allow mutant suppressor tRNAs to form a robust orthogonal tRNA-synthetase pair for use with Methanococcus jannaschii TyrRS for selective in vivo protein incorporation of unnatural amino acids. Using J17 mutant suppressor tRNA and recombinant mutant TyrRS, O-methyl-L-tyrosine was delivered in response to a TAG codon with fidelity comparable to 20 common amino acids. L. Wang, A .; Block, B.M. Herberich, P.M. G. See Schultz, Expanding the genetic code of Escherichia coli, Science, 292: 498-500 (2001).

実施例2−mutRNATyr/CUAに非天然アミノ酸O−メチル−L−チロシンを負荷するようにTyrRSを突然変異   Example 2 Mutating TyrRS to Load MutRNATyr / CUA with Unnatural Amino Acid O-Methyl-L-Tyrosine

遺伝的にコードされるアミノ酸の数を拡大するユニークなトランスファーRNA(tRNA)−アミノアシルtRNAシンテターゼ対が大腸菌で作製されている。この対を大腸菌に導入すると、外部から増殖培地に添加した合成アミノ酸O−メチル−L−チロシンをアンバーナンセンスコドンに応答してタンパク質にin vivo組込むことができる。非天然アミノ酸を含むジヒドロ葉酸レダクターゼの分析によると、翻訳忠実度は99%を上回る。このアプローチは20種の共通アミノ酸に存在しない新規な構造的、化学的及び物理的特性をもつ多様なアミノ酸を導入するための生きた細胞の遺伝子レパートリーを増加する一般方法を提供する。   A unique transfer RNA (tRNA) -aminoacyl tRNA synthetase pair has been generated in E. coli that expands the number of genetically encoded amino acids. When this pair is introduced into Escherichia coli, the synthetic amino acid O-methyl-L-tyrosine added to the growth medium from the outside can be incorporated into the protein in vivo in response to the amber nonsense codon. According to analysis of dihydrofolate reductase containing unnatural amino acids, translation fidelity is over 99%. This approach provides a general way to increase the gene repertoire of living cells to introduce diverse amino acids with novel structural, chemical and physical properties that are not present in the 20 common amino acids.

異種間アミノアシル化が非効率的であり、場合により、アンチコドンループがシンテターゼ認識の主要決定因子ではない場合には、別の生物に由来する対を導入することにより大腸菌で直交tRNA/シンテターゼ対を作製することができる。このような候補対の1例はMethanococcus jannaschiiのチロシルtRNA/シンテターゼ対であり、Methanococcus jannaschiiはtRNATyrアイデンティティーエレメントが大腸菌tRNATyr と異なり(特に、アクセプターステムの第1番目の塩基対が大腸菌ではGCであるが、Methanococcus jannaschiiではCGである)、チロシルシンテターゼ(TyrRS)が最低限のアンチコドン−ループ結合ドメインしかもたない始原菌である。例えばB.A.Steer,& P.Schimmel,J.Biol.Chem.274:35601−6(1999)参照。更に、Methanococcus jannaschii TyrRSは編集メカニズムをもたない(例えばJakubowski & Goldman,Microbiol.Rev.,56:412(1992)参照)ので、tRNAにライゲートした非天然アミノ酸を校正しないと思われる。Methanococcus jannaschii TyrRSはそのコグネイトtRNATyrに由来するアンバーサプレッサーtRNAを効率的にアミノアシル化する(例えばWangら,(2000),J.Am.Chem.Soc.,前出参照)が、大腸菌tRNAをアミノアシル化しない(例えばSteer & Schimmel,(1999),前出参照)。更に、Methanococcus jannaschii tRNACUA Tyr は大腸菌シンテターゼの弱い基質であるが、大腸菌でタンパク質翻訳に効率的に機能する。例えばWangら,(2000),J.Am.Chem.Soc.,前出参照。   If cross-species aminoacylation is inefficient and, in some cases, the anticodon loop is not the main determinant of synthetase recognition, create an orthogonal tRNA / synthetase pair in E. coli by introducing a pair from another organism can do. An example of such a candidate pair is the Methanococcus jannaschii tyrosyl-tRNA / synthetase pair, which differs from E. coli tRNATyr in the tRNATyr identity element (especially the first base pair of the acceptor stem is GC in E. coli). Although it is CG in Methanococcus jannaschii), tyrosyl synthetase (TyrRS) is a protozoan that has only a minimal anticodon-loop binding domain. For example, B. A. Steer, & P.M. Schimmel, J. et al. Biol. Chem. 274: 35601-6 (1999). Furthermore, since Methanococcus jannaschii TyrRS has no editing mechanism (see, eg, Jakubowski & Goldman, Microbiol. Rev., 56: 412 (1992)), it does not appear to calibrate unnatural amino acids ligated to tRNA. Methanococcus jannaschii TyrRS efficiently aminoacylates the amber suppressor tRNA derived from its cognate tRNATyr (see, eg, Wang et al. (2000), J. Am. Chem. Soc., Supra), but does not aminoacylate E. coli tRNA. (For example, see Steer & Schimmel, (1999), supra). In addition, Methanococcus jannaschii tRNACUA Tyr is a weak substrate for E. coli synthetase, but functions efficiently in E. coli for protein translation. For example, Wang et al. (2000), J. MoI. Am. Chem. Soc. , See above.

大腸菌シンテターゼによる直交tRNA、Methanococcus jannaschii tRNACUA Tyr の認識を更に弱めるために、Methanococcus jannaschii TyrRSと直接相互作用しないtRNAの11個のヌクレオチド(C16,C17,U17a,U20,C32,G37,A38,U45,U47,A59及びU60)をランダムに突然変異させ、サプレッサーtRNAライブラリーを作製した。このtRNAライブラリーをネガティブ選択(例えばバルナーゼ遺伝子等の毒性レポーター遺伝子におけるアンバー突然変異の抑圧)にかけ、大腸菌シンテターゼによりアミノアシル化されるtRNAを除去した後、効率的にMethanococcus jannaschii TyrRSによりアミノアシル化されるtRNAをポジティブ選択した(例えばβラクタマーゼ遺伝子等のレポーター遺伝子におけるアンバー突然変異の抑圧)。   To further weaken the recognition of the orthogonal tRNA, Methanococcus jannaschii tRNACUA Tyr by E. coli synthetase, 11 nucleotides of tRNA that do not directly interact with Methanococcus jannaschii TyrRS (C16, C17, U17a, U20, C32, G37, U37, U38, U37, U38 , A59 and U60) were randomly mutated to generate a suppressor tRNA library. This tRNA library is subjected to negative selection (for example, suppression of amber mutation in a toxic reporter gene such as barnase gene), tRNA aminoacylated by E. coli synthetase is removed, and then tRNA efficiently aminoacylated by Methanococcus jannaschii TyrRS Was positively selected (for example, suppression of amber mutation in a reporter gene such as β-lactamase gene).

得られたサプレッサーtRNAの直交性をベクター上のレポーター(例えばプラスミドpBLAMに担持したTEM−1βラクタマーゼ遺伝子)の非必須位置(例えばAla184)のアンバー終止コドンの抑圧に基づくin vivo相補アッセイにより試験した。形質転換したサプレッサーtRNAが内在大腸菌シンテターゼによりアミノアシル化されると、アンピシリンの存在下で細胞増殖する。Methanococcus jannaschii tRNACUA Tyr とレポーター構築物pBLAMで形質転換した大腸菌は55μg/mLアンピシリンの存在下に生存する。ライブラリーから選択した最良突然変異体サプレッサーtRNA(mtRNACUA Tyr )を発現させると、僅か12μg/mLのアンピシリンでも細胞は生存し、サプレッサーtRNAの不在下でも同様の結果が得られる。突然変異体サプレッサーtRNAはヌクレオチド置換C17A、U17aG、U20C、G37A及びU47Gを含んでいた。Methanococcus jannaschii TyrRSをこのmtRNACUATyrと同時発現させると、細胞は440μg/mLアンピシリンで生存する。従って、mtRNACUA Tyr はMethanococcus jannaschii tRNACUA Tyr よりも弱い内在シンテターゼの基質であるが、効率的にMethanococcus jannaschii TyrRSによりアミノアシル化される。   The orthogonality of the resulting suppressor tRNA was tested by an in vivo complementation assay based on suppression of the amber stop codon at a non-essential position (eg Ala184) of a reporter on the vector (eg TEM-1β lactamase gene carried on plasmid pBLAM). When the transformed suppressor tRNA is aminoacylated by endogenous E. coli synthetase, the cells proliferate in the presence of ampicillin. E. coli transformed with Methanococcus jannaschii tRNACUA Tyr and reporter construct pBLAM survives in the presence of 55 μg / mL ampicillin. Expression of the best mutant suppressor tRNA (mtRNACUA Tyr) selected from the library will allow cells to survive with as little as 12 μg / mL ampicillin, with similar results in the absence of suppressor tRNA. The mutant suppressor tRNA contained nucleotide substitutions C17A, U17aG, U20C, G37A and U47G. When Methanococcus jannaschii TyrRS is co-expressed with this mtRNA CUATyr, the cells survive at 440 μg / mL ampicillin. Thus, mtRNACUA Tyr is a weaker substrate for endogenous synthetase than Methanococcus jannaschii tRNACUA Tyr, but is efficiently aminoacylated by Methanococcus jannaschii TyrRS.

mtRNACUA Tyr に所望非天然アミノ酸を負荷するように直交TyrRSのアミノ酸特異性を改変するために、TyrRS突然変異体のライブラリーを作製し、スクリーニングした。Bacillus stearothermophilusに由来する相同TyrRSの結晶構造(例えば、P.Brick,T.N.Bhat,D.M.Blow,J.Mol.Biol.,208:83(1988))に基づき、結合チロシンのアリール環のパラ位から6.5Å以内にあるMethanococcus jannaschii TyrRSの活性部位の5個の残基(Tyr32、Glu107 、Asp158 、Ile159 及びLeu162 )を突然変異させた。図14参照。これらの残基をまず全てアラニンに突然変異させ、得られた不活性Ala5 TyrRSを鋳型として使用し、オリゴヌクレオチドプライマーによるポリメラーゼ連鎖反応(PCR)ランダム突然変異誘発を行った。   To modify the amino acid specificity of orthogonal TyrRS to load mtRNACUA Tyr with the desired unnatural amino acid, a library of TyrRS mutants was generated and screened. Based on the crystal structure of homologous TyrRS derived from Bacillus stearothermophilus (eg, P. Brick, TN Bhat, DM Blow, J. Mol. Biol., 208: 83 (1988)) Five residues in the active site of Methanococcus jannaschii TyrRS (Tyr32, Glu107, Asp158, Ile159 and Leu162) within 6.5 km of the para position of the ring were mutated. See FIG. All of these residues were first mutated to alanine, and the resulting inactive Ala5 TyrRS was used as a template to perform polymerase chain reaction (PCR) random mutagenesis with oligonucleotide primers.

例えば、カナマイシン耐性をもつpBR322由来プラスミドであるプラスミドpBK−JYRSで大腸菌GlnRSプロモーター及びターミネーターの制御下にTyrRS遺伝子を発現させた。残基Tyr32、Glu107 、Asp158 、Ile159 及びLeu162 を部位特異的突然変異誘発によりAlaで置換し、プラスミドpBK−JYA5を得た。突然変異部位にNNK(N=A+T+G+C、K=G+T、及びM=C+A)をもつ8種のオリゴヌクレオチド(例えばオリゴヌクレオチドLW157 5' −GGAATTCCATATGGACGAATTTGAAATG−3' 、LW164 5' −GTATTTTACCACTTGGTTCAAAACCTATMNNAGCAGATTTTTCATCTTTTTTTCATCTTTTTTTAAAAC−3' 、LW159 5' −TAGGTTTTGAACCAAGTGGTAAAATAC−3' 、LW165 5' −CATTCAGTGTATAATCCTTATCAAGCTGGAAMNNACTTCCATAAACATATTTTGCCTTTAAC−3' 、LW161 5' −TCCAGCTTGATAAGGATTATACACTGAATG−3' 、LW167 5' −CATCCCTCCAACTGCAACATCAACGCCMNNATAATGMNNMNNATTAACCTGCATTATTGGATAGATAAC−3' 、LW163 5' −GCGTTGATGTTGCAGTTGGAGGGATG−3' 、及びLW105 5' −AAACTGCAGTTATAATCTCTTTCTAATTGGCTC−3' (Operon,CA))を使用してAla5 TyrRS突然変異体(pBK−JYA5)のPCR増幅を行い、NdeI−PstIで消化したpBK−JYA5に再ライゲートしてTyrRSライブラリーを得た。ライゲートしたベクターを大腸菌DH10Bコンピテント細胞に形質転換し、1.6×109 コロニー形成単位(cfu)のライブラリーを得た。40個のランダムに釣菌したコロニーからのTyrRS遺伝子を配列決定した処、ランダムに突然変異させたNNK位置に塩基置換はなく、他の予想外の突然変異もないことが確認された。ライブラリーをマキシプレップにより増幅し、スーパーコイルDNAを使用して選択株pYC−J17を形質転換した。   For example, the TyrRS gene was expressed in the plasmid pBK-JYRS, which is a pBR322-derived plasmid having kanamycin resistance, under the control of the E. coli GlnRS promoter and terminator. Residues Tyr32, Glu107, Asp158, Ile159 and Leu162 were replaced with Ala by site-directed mutagenesis, resulting in plasmid pBK-JYA5. Eight oligonucleotides with NNK (N = A + T + G + C, K = G + T, and M = C + A) at the mutation site (for example, oligonucleotide LW1575′-GGAATTCCATATGACGATTATTGATACTGATTACTTACTACTTGTTCATACTGTTCATACTG '-TAGGTTTTGAACCCAAGTGGTAAAAATAC-3', LW165 5 ' TG-3 ', LW167 5' -CATCCCTCCAACTGCAACATCAACGCCMNNATAATGMNNMNNATTAACCTGCATTATTGGATAGATAAC-3 ', LW163 5' -GCGTTGATGTTGCAGTTGGAGGGATG-3 ', and LW105 5' -AAACTGCAGTTATAATCTCTTTCTAATTGGCTC-3 '(Operon, CA)) using Ala5 TyrRS mutant (PBK- JYA5) was amplified by PCR and religated into pBK-JYA5 digested with NdeI-PstI to obtain a TyrRS library. The ligated vector was transformed into E. coli DH10B competent cells to obtain a library of 1.6 × 10 9 colony forming units (cfu). Sequencing the TyrRS gene from 40 randomly fished colonies confirmed that there was no base substitution at the randomly mutated NNK position and no other unexpected mutations. The library was amplified by maxiprep and the selected strain pYC-J17 was transformed using supercoiled DNA.

次に、クロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子の非必須位置(例えばAsp112)のアンバーコドンの抑圧に基づき、突然変異直交TyrRSのライブラリーをポジティブ選択にかけた。例えばM.Pastrnak,T.J.Magliery,P.G.Schultz,Helv.Chim.Acta,83:2277(2000)参照。突然変異体TyrRSライブラリーとmtRNACUA Tyr 遺伝子で形質転換した細胞を、非天然アミノ酸を加えた培地で細胞を増殖させ、各種濃度のクロラムフェニコールの存在下で生存するものを選択した。突然変異体TyrRSが直交mtRNACUA Tyr に天然又は非天然アミノ酸を負荷するならば、細胞はCATを生産し、生存する。次に生存細胞をクロラムフェニコールの存在下で非天然アミノ酸の不在下に増殖させた。非天然アミノ酸を加えたレプリカプレートから生存しなかった細胞(例えば直交mtRNACUA Tyr に非天然アミノ酸を負荷する突然変異体TyrRSをコードする細胞)を単離した。突然変異体TyrRS遺伝子をこれらの細胞から単離し、DNAシャフリングによりin vitro組換えし、クロラムフェノコール濃度を増加する後期選択のために大腸菌に再形質転換した。   Next, a library of mutant orthogonal TyrRS was subjected to positive selection based on suppression of the amber codon at a non-essential position of the chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene (eg Asp112). For example, M.M. Pastrnak, T .; J. et al. Magliay, P.M. G. Schultz, Helv. Chim. Acta, 83: 2277 (2000). Cells transformed with the mutant TyrRS library and the mtRNACUA Tyr gene were grown in a medium supplemented with unnatural amino acids, and those that survived in the presence of various concentrations of chloramphenicol were selected. If the mutant TyrRS loads the orthogonal mtRNACUA Tyr with a natural or unnatural amino acid, the cell produces CAT and survives. Viable cells were then grown in the presence of chloramphenicol in the absence of unnatural amino acids. Cells that did not survive (eg, cells encoding a mutant TyrRS that charges the orthogonal mtRNACUA Tyr with an unnatural amino acid) were isolated from replica plates supplemented with the unnatural amino acid. Mutant TyrRS gene was isolated from these cells, recombined in vitro by DNA shuffling, and retransformed into E. coli for late selection to increase chloramphenocol concentration.

パラヒドロキシル基をメトキシ基で置換したチロシン類似体を選択に使用した。場合により、他のチロシン類似体も選択に使用することができ、例えばアリール環のパラ位に各種官能基(アセチル、アミノ、カルボキシル、イソプロピル、メチル、O−メチル及びニトロ等)をもつチロシン類似体が挙げられる。例えば、Asp112 TAGCAT突然変異体もコードするpACYC184誘導体であるプラスミドpYC−J17でlppプロモーターとrrnCターミネーターの制御下にmtRNACUA Tyr をコードする遺伝子を大腸菌DH10B細胞で発現させた。pYC−J17を導入した大腸菌DH10Bコンピテント細胞にTyrRSライブラリーをコードするスーパーコイルDNAを形質転換し、元のライブラリーを完全にカバーする3×109 cfuよりも大きい寸法のライブラリーを得た。次に、1%グリセロールと0.3mMロイシンを含む最少培地(GMML)プレートに17μg/mLテトラサイクリン(Tet)、25μg/mLカナマイシン(Kan)、50μg/mLクロラムフェニコール(Cm)及び1mM非天然アミノ酸を加えて細胞を培養した。37℃で44時間培養後にO−メチル−L−チロシンを加えたプレート上のコロニーをプールし、プラスミドを単離し、pYC−J17を導入した大腸菌DH10Bコンピテント細胞に再形質転換し、形質転換細胞を50μg/mL Cm上でポジティブ選択した。コロニー(96)をプレートから個々に釣菌し、液体GMML培地100mLで希釈し、各種濃度のCmを加えたKan/Tet GMMLプレート2組に画線した。第1組のプレートはO−メチル−L−チロシンを加えず、Cm濃度を10〜25μg/mLとし、第2組のプレートは1mM O−メチル−L−チロシンと50μg/mL Cmを加えた。第1組のプレートで15μg/mLのCmの存在下に増殖しなかったコロニーのレプリカを第2組のプレートから釣菌した。TyrRS遺伝子を含むプラスミドを精製し、断片化反応のMg2+を10mM Mn2+に代えた以外はStemmerのプロトコールを使用してDNAシャフリングによりin vitro組換えした。W.P.C.Stemmer,Nature 370,389−91(1994);及びI.A.Lorimer,I.Pastan,Nucleic Acids Res.23,3067−8(1995)参照。次に、予め消化しておいたpBK−JYA5ベクターにライブラリーを再ライゲートし、典型寸法8×108 〜3×109 cfuの第2世代TyrRSライブラリーを得た。ライブラリーからランダムに選択した30個を配列決定した。DNAシャフリングにより導入された突然変異誘発率は0.35%であった。このライブラリーを次回選択用選択株に形質転換した後、シャフリングした。第2組のプレートではポジティブ選択のCm濃度を2回目に80μg/mL、3回目に120μg/mLに上げ、第1組のプレートではCm濃度を変えなかった。3回のDNAシャフリング後にコロニーは第1組のプレートではCm濃度20〜25μg/mLで増殖し始め、TyrRS突然変異体が天然アミノ酸を基質として受容していることを示した。従って、2回のDNAシャフリング後に選択した最良クローンを詳細に特性決定した。   A tyrosine analog in which the parahydroxyl group was replaced with a methoxy group was used for selection. In some cases, other tyrosine analogs can be used for selection, for example, tyrosine analogs having various functional groups (acetyl, amino, carboxyl, isopropyl, methyl, O-methyl, nitro, etc.) in the para position of the aryl ring. Is mentioned. For example, a gene encoding mtRNACUA Tyr was expressed in E. coli DH10B cells under the control of lpp promoter and rrnC terminator in plasmid pYC-J17, which is a pACYC184 derivative that also encodes an Asp112 TAGCAT mutant. E. coli DH10B competent cells into which pYC-J17 had been introduced were transformed with supercoiled DNA encoding the TyrRS library, resulting in a library larger than 3 × 10 9 cfu that completely covered the original library. Next, 17 μg / mL tetracycline (Tet), 25 μg / mL kanamycin (Kan), 50 μg / mL chloramphenicol (Cm) and 1 mM non-naturally occurring on minimal medium (GMML) plate containing 1% glycerol and 0.3 mM leucine. Cells were cultured with the addition of amino acids. After colonization at 37 ° C. for 44 hours, colonies on the plate to which O-methyl-L-tyrosine was added were pooled, the plasmid was isolated, retransformed into E. coli DH10B competent cells into which pYC-J17 had been introduced, and transformed cells. Was positively selected on 50 μg / mL Cm. Colonies (96) were individually picked from the plate, diluted with 100 mL of liquid GMML medium, and streaked on two sets of Kan / Tet GMML plates with various concentrations of Cm added. The first set of plates did not add O-methyl-L-tyrosine, the Cm concentration was 10-25 μg / mL, and the second set of plates added 1 mM O-methyl-L-tyrosine and 50 μg / mL Cm. Replicas of colonies that did not grow on the first set of plates in the presence of 15 μg / mL Cm were picked from the second set of plates. The plasmid containing the TyrRS gene was purified and recombined in vitro by DNA shuffling using the Stemmer protocol except that Mg2 + in the fragmentation reaction was replaced with 10 mM Mn2 +. W. P. C. Stemmer, Nature 370, 389-91 (1994); A. Lorimer, I .; Pastan, Nucleic Acids Res. 23, 3067-8 (1995). Next, the library was re-ligated into the previously digested pBK-JYA5 vector to obtain a second generation TyrRS library with a typical size of 8 × 10 8 to 3 × 10 9 cfu. Thirty randomly selected from the library were sequenced. The mutagenesis rate introduced by DNA shuffling was 0.35%. This library was transformed into a selection strain for next selection and then shuffled. For the second set of plates, the positive selection Cm concentration was increased to 80 μg / mL for the second time and to 120 μg / mL for the third time, while the Cm concentration was not changed for the first set of plates. Colonies began to grow at a Cm concentration of 20-25 μg / mL on the first set of plates after 3 DNA shufflings, indicating that the TyrRS mutant accepts natural amino acids as substrates. Therefore, the best clone selected after two DNA shufflings was characterized in detail.

2回の選択とDNAシャフリングを実施し、クロラムフェニコール中の生存が増殖培地への1mM O−メチル−L−チロシン添加に依存するクローンを得た。O−メチル−L−チロシンの不在下では、突然変異体TyrRSを導入した細胞は1%グリセロール、0.3mMロイシンを含む最少培地(GMML)プレートに15μg/mLクロラムフェニコールを加えると生存できなかった。細胞は1mM O−メチル−L−チロシンの存在下では125μg/mLクロラムフェニコールを加えたGMMLプレートで増殖することができた。液体GMMLでも同様の結果が得られた。対照として、mtRNACUA Tyr と不活性Ala5 TyrRSを導入した細胞は1mM O−メチル−L−チロシンの有無に拘わらず、使用した最低クロラムフェニコール濃度でも生存しなかった。図14参照。1mM O−メチル−L−チロシン自体を加えても大腸菌の増殖率はさほど変わらない。   Two rounds of selection and DNA shuffling were performed to obtain clones whose survival in chloramphenicol was dependent on the addition of 1 mM O-methyl-L-tyrosine to the growth medium. In the absence of O-methyl-L-tyrosine, cells transfected with mutant TyrRS can survive if 15 μg / mL chloramphenicol is added to a minimal medium (GMML) plate containing 1% glycerol, 0.3 mM leucine. There wasn't. The cells were able to grow on GMML plates supplemented with 125 μg / mL chloramphenicol in the presence of 1 mM O-methyl-L-tyrosine. Similar results were obtained with liquid GMML. As a control, cells transfected with mtRNACUA Tyr and inactive Ala5 TyrRS did not survive at the lowest chloramphenicol concentration used, with or without 1 mM O-methyl-L-tyrosine. See FIG. Even if 1 mM O-methyl-L-tyrosine itself is added, the growth rate of Escherichia coli does not change so much.

mtRNACUA Tyr にO−メチル−L−チロシンを負荷する突然変異体TyrRSの配列を分析した処、以下の突然変異が判明した。Tyr32→Gln32、Asp158 →Ala158 、Glu107 →Thr107 及びLeu162 →Pro162 。図14参照。相同B.stearothermophilus TyrRSのX線結晶構造によると、Tyr32、Asp158 と基質チロシン間の水素結合網が失われるとチロシンと突然変異体TyrRSの結合に不利であると思われる。実際に、B.stearothermophilus TyrRSのAsp176 (Methanococcus jannaschiiのAsp158 に対応)の突然変異は不活性な酵素を生じる。例えばG.D.P.Gray,H.W.Duckworth,A.R.Fersht,FEBS 318:167−71(1993)参照。同時に、Asp158 →Ala158 及びLeu162 →Pro162 突然変異はO−メチル−L−チロシンのメチル基を更に基質結合キャビティに延ばす疎水性ポケットを形成する。アデニル酸のリボース又はリン酸基に結合する活性部位の他の重要な触媒残基は2回のDNAシャフリング後も変化しなかった。   Analysis of the sequence of mutant TyrRS that charges O-methyl-L-tyrosine to mtRNACUA Tyr revealed the following mutations. Tyr32 → Gln32, Asp158 → Ala158, Glu107 → Thr107 and Leu162 → Pro162. See FIG. Homologous B. According to the X-ray crystal structure of stearothermophilus TyrRS, the loss of the hydrogen bond network between Tyr32, Asp158 and substrate tyrosine appears to be detrimental to the binding of tyrosine and mutant TyrRS. In fact, B. Mutations of stearothermophilus TyrRS Asp176 (corresponding to Methanococcus jannaschii Asp158) result in an inactive enzyme. For example, G. D. P. Gray, H.C. W. Duckworth, A.D. R. See Fersht, FEBS 318: 167-71 (1993). At the same time, Asp158 → Ala158 and Leu162 → Pro162 mutations form a hydrophobic pocket that extends the methyl group of O-methyl-L-tyrosine further into the substrate binding cavity. Other important catalytic residues of the active site that bind to the ribose or phosphate groups of adenylate did not change after two rounds of DNA shuffling.

突然変異体TyrRSを触媒とするO−メチル−L−チロシン及びチロシンとアデノシン三リン酸(ATP)のアデニル酸形成の動態を37℃でピロリン酸交換アッセイによりin vitro分析した。例えば、そのC末端に6個のヒスチジンを付けた突然変異体TyrRSをプラスミドpQE−60(Qiagen,CA)にクローニングし、プラスミドpQE−mJYRSを作製した。製造業者のプロトコール(Qiagen,CA)に従って固定化金属アフィニティークロマトグラフィーによりタンパク質を精製した。100mM TrisHCl(pH7.5)、10mM KF、5mM MgCl2、2mM ATP、2mM NaPPi、0.1mg.mLウシ血清アルブミン、約0.01μCi/mL[32P]NaPPi及び各種濃度のチロシン又はO−メチル−L−チロシンを含む反応混合物中で37℃でピロリン酸(PPi)交換を行った。精製突然変異体TyrRSを加えて反応を開始し、定期的にアリコートを分取し、0.2M NaPPi、7%過塩素酸及び2%活性炭で反応停止した。活性炭を濾過し、10mM NaPPi(pH2)で洗浄した後、活性炭吸着ATPの32P濃度をシンチレーション計数により測定した。非線形回帰分析を使用してミカエリス・メンテンの式の直接フィットによりkcat 及びKm 値を計算した。   The kinetics of adenylate formation of O-methyl-L-tyrosine and tyrosine with adenosine triphosphate (ATP) catalyzed by mutant TyrRS was analyzed in vitro by a pyrophosphate exchange assay at 37 ° C. For example, a mutant TyrRS with 6 histidines at its C-terminus was cloned into plasmid pQE-60 (Qiagen, CA) to create plasmid pQE-mJYRS. The protein was purified by immobilized metal affinity chromatography according to the manufacturer's protocol (Qiagen, CA). 100 mM TrisHCl (pH 7.5), 10 mM KF, 5 mM MgCl2, 2 mM ATP, 2 mM NaPPi, 0.1 mg. Pyrophosphate (PPi) exchange was performed at 37 ° C. in reaction mixtures containing mL bovine serum albumin, about 0.01 μCi / mL [32 P] NaPPi and various concentrations of tyrosine or O-methyl-L-tyrosine. Purified mutant TyrRS was added to initiate the reaction, and aliquots were periodically taken and quenched with 0.2 M NaPPi, 7% perchloric acid and 2% activated carbon. After the activated carbon was filtered and washed with 10 mM NaPPi (pH 2), the 32P concentration of the activated carbon adsorbed ATP was measured by scintillation counting. Kcat and Km values were calculated by direct fitting of the Michaelis-Menten equation using nonlinear regression analysis.

チロシンのミカエリス定数(Km )(5833±902μM)はO−メチル−L−チロシン(443±93μM)の約13倍であり、チロシンの触媒速度定数(kcat )(1.8±0.2×10-3s-1)はO−メチル−L−チロシン(14±1×10-3s-1)の8分の1である。従って、O−メチル−L−チロシンに対する突然変異体TyrRSのkcat /Km 値はチロシンの約100倍である。大腸菌におけるチロシンの生理的濃度は約80μMであり、突然変異体TyrRSのチロシンに対するKm 値(5833μM)よりもはるかに低い。細胞中のO−メチル−L−チロシンの濃度はKm (443μM)と同等以上であると予想される。   The Michaelis constant (Km) (5833 ± 902 μM) of tyrosine is about 13 times that of O-methyl-L-tyrosine (443 ± 93 μM), and the catalytic rate constant (kcat) of tyrosine (1.8 ± 0.2 × 10 -3s-1) is one-eighth of O-methyl-L-tyrosine (14 ± 1x10-3s-1). Therefore, the kcat / Km value of mutant TyrRS for O-methyl-L-tyrosine is about 100 times that of tyrosine. The physiological concentration of tyrosine in E. coli is about 80 μM, which is much lower than the Km value for the tyrosine of the mutant TyrRS (5833 μM). The concentration of O-methyl-L-tyrosine in the cell is expected to be equal to or greater than Km (443 μM).

本実施例は遺伝的にコードされる付加的アミノ酸を受容するように大腸菌のタンパク質生合成機構を補強できることを示す。新規アミノ酸を直接生きた細胞でタンパク質に導入できると、タンパク質及び細胞機能の研究の新規ツールとなると共に、天然タンパク質に比較して特性を増進したタンパク質を作製することが可能になる。本明細書に記載する方法は新規分光学的、化学的、構造的等の性質をもつ他のアミノ酸にも適用できる。大腸菌リボソームはin vitroタンパク質生合成を使用して多様な側鎖をもつアミノ酸をタンパク質に組込むことができることが示されている。例えば、C.J.Noren,S.J.Anthony−Cahill,M.C.Griffith,P.G.Schultz,Science 244,182−8(1989)参照。付加的直交tRNA/シンテターゼ対(例えばD.R.Liu,P.G.Schultz,Proc.Natl.Acad.Sci.USA 96,4780−5(1999);及びA.K.Kowal,C.Kohrer,U.L.,RajBhandary,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,98:2268(2001)参照)、4塩基コドン(例えばT.J.Magliery,J.C.Anderson,P.G.Schultz,J.Mol.Biol.307:755(2001);及びB.Moore,B.C.Persson,C.C.Nelson,R.F.Gesteland,J.F.Atkins,J.Mol.Biol.,298:195(2000)参照)及び本明細書に記載する他のセレクターコドンは組込み可能なアミノ酸の数と範囲を更に拡げることができる。真核細胞の直交対も本明細書に記載する方法により作製することができる。   This example demonstrates that the protein biosynthesis mechanism of E. coli can be augmented to accept genetically encoded additional amino acids. The ability to introduce new amino acids directly into proteins in living cells can be a new tool for protein and cell function studies and can produce proteins with enhanced properties compared to natural proteins. The methods described herein can be applied to other amino acids having novel spectroscopic, chemical, structural, and other properties. E. coli ribosomes have been shown to be able to incorporate amino acids with diverse side chains into proteins using in vitro protein biosynthesis. For example, C.I. J. et al. Noren, S.M. J. et al. Anthony-Chill, M .; C. Griffith, P.M. G. See Schultz, Science 244, 182-8 (1989). Additional orthogonal tRNA / synthetase pairs (eg, DR Liu, PG Schultz, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 4780-5 (1999); and AK Kowal, C. Kohler, U.L., RajBhandary, Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A., 98: 2268 (2001)), 4 base codons (e.g., TJ Magmary, JC Anderson, P. et al.). G. Schultz, J. Mol. Biol. 307: 755 (2001); and B. Moore, BC Persson, CC Nelson, RF Gestelland, JF Atkins, J. Mol. Biol., 298: 195 (2000)) and others described herein. Rector codons can further expand the number and range of embeddable amino acids. Orthogonal pairs of eukaryotic cells can also be produced by the methods described herein.

参考資料として本明細書に組込む対応特許出願(発明の名称" In vivo Incorporation of Unnatural Amino Acids" ,代理人整理番号54−000120PC/US)も参照されたい。同出願は上記系を使用してジヒドロ葉酸レダクターゼ(DHFR)のO−メチル−L−チロシン突然変異体を作製する実施例を記載している。   See also the corresponding patent application (Title of the Invention "In vivo Information of Universal Amino Acids", Attorney Docket No. 54-000120PC / US) which is incorporated herein by reference as reference material. The application describes an example of making an O-methyl-L-tyrosine mutant of dihydrofolate reductase (DHFR) using the above system.

実施例3−mutRNATyr/CUAに非天然アミノ酸L−3−(2−ナフチル)アラニンを負荷するようにTyrRSを突然変異   Example 3-Mutating TyrRS to load mutRNATyr / CUA with unnatural amino acid L-3- (2-naphthyl) alanine

本実施例は第2の非天然アミノ酸L−3−(2−ナフチル)アラニンを生物(例えば大腸菌)でタンパク質に組込むために使用可能な別の直交対に関する。この非天然アミノ酸をタンパク質に組込む直交対を作製するために使用する方法を以下に記載する。この非天然アミノ酸のタンパク質組込みに関するより詳細な記載は、参考資料として本明細書に組込む対応特許出願(発明の名称" In vivo incorporation of unnatural amino acids" ,代理人整理番号54−000120PC/US)を参照されたい。
This example relates to another orthogonal pair that can be used to incorporate the second unnatural amino acid L-3- (2-naphthyl) alanine into a protein in an organism (eg, E. coli). The method used to create an orthogonal pair that incorporates this unnatural amino acid into a protein is described below. For a more detailed description of protein incorporation of this unnatural amino acid, refer to the corresponding patent application (invention name “In vivo information of unnatural amino acids”, representative docket number 54-000120PC / US) incorporated herein by reference. Please refer.

非天然アミノ酸をコードするためにアンバー終止コドンとその対応する直交アンバーサプレッサーtRNAであるmutRNACUA Tyr を選択した。上記及びWang & Schultz,Chem.Biol.8:883−890(2001)に記載されているように、非天然アミノ酸特異性をもつ直交シンテターゼを生産するための出発点としてMethanococcus jannaschiiチロシルtRNAシンテターゼ(TyrRS)を使用した。このTyrRSは内在大腸菌tRNAをアミノアシル化しない(例えばSteer & Schimmel,Biol.Chem.,274:35601−35606(1999)参照)が、mutRNACUA Tyr をチロシンでアミノアシル化する(例えばWang,Magliery,Liu,Schultz,J.Am.Chem.Soc.,122:5010−5011(2000)参照)。L−3−(2−ナフチル)アラニンはチロシンと構造が大きく異なり、新規充填特性をもつ可能性があることからこの試験に選択した。mutRNACUA Tyr に20種の共通アミノ酸は負荷せずにL−3−(2−ナフチル)アラニンを負荷するようにTyrRSのアミノ酸特異性を改変するために、Methanococcus jannaschii TyrRS突然変異体のライブラリーを作製し、スクリーニングした。Bacillus stearothermophilusからの相同TyrRSの結晶構造の分析(Brick,Bhat,Blow,J.Mol.Biol.,208:83−98(1989)参照)に基づき、チロシンのアリール環のバラ位から7Å以内にあるM.jannaschii TyrRSの活性部位の5個の残基(Tyr32、Asp158 、Ile159 、Leu162 及びAla167 )を突然変異させた。図15参照。L−3−(2−ナフチル)アラニンに特異的なシンテターゼはWang,Brock,Herberich,Schultz,Science,292:498−500(2001)に報告されている突然変異体TyrRSライブラリーから選択しなかった。後期選択における野生型シンテターゼ汚染を減らすために、(Ala167 を除く)これらの残基をまず全てアラニンに突然変異させた。得られた不活性Ala5 TyrRS遺伝子を鋳型として使用し、対応する部位にランダム突然変異をもつオリゴヌクレオチドを用いてポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によりランダム突然変異誘発を行った。   The amber stop codon and its corresponding orthogonal amber suppressor tRNA, mutRNACUA Tyr, were selected to encode the unnatural amino acid. As described above and in Wang & Schultz, Chem. Biol. 8: 883-890 (2001), Methanococcus jannaschii tyrosyl tRNA synthetase (TyrRS) was used as a starting point for producing orthogonal synthetases with unnatural amino acid specificity. This TyrRS does not aminoacylate endogenous E. coli tRNA (see, eg, Steer & Schimmel, Biol. Chem., 274: 35601-35606 (1999)), but aminoacylates mutRNACUA Tyr with tyrosine (eg, Wang, Maglyry, Liu, Schultz). , J. Am. Chem. Soc., 122: 5010-5011 (2000)). L-3- (2-naphthyl) alanine was selected for this test because it is significantly different in structure from tyrosine and may have new packing properties. Create a library of Methanococcus jannaschii TyrRS mutants to modify the amino acid specificity of TyrRS to load mutRNACUA Tyr with 20 common amino acids but not L-3- (2-naphthyl) alanine And screened. Based on analysis of the crystal structure of homologous TyrRS from Bacillus stearothermophilus (see Brick, Bhat, Blow, J. Mol. Biol., 208: 83-98 (1989)) within 7 cm from the rose position of the tyrosine aryl ring M.M. Five residues (Tyr32, Asp158, Ile159, Leu162 and Ala167) in the active site of jannaschii TyrRS were mutated. See FIG. A synthetase specific for L-3- (2-naphthyl) alanine was not selected from the mutant TyrRS library reported in Wang, Block, Herberich, Schultz, Science, 292: 498-500 (2001). . In order to reduce wild-type synthetase contamination in late selection, all of these residues (except Ala167) were first mutated to alanine. The obtained inactive Ala5 TyrRS gene was used as a template, and random mutagenesis was performed by polymerase chain reaction (PCR) using an oligonucleotide having a random mutation at the corresponding site.

突然変異体TyrRSライブラリーをまずクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子の非必須位置(Asp112 )のアンバー終止コドンの抑圧に基づくポジティブ選択にかけた。1mM L−3−(2−ナフチル)アラニンと80μg/mLクロラムフェニコールを加えた最少培地で突然変異体TyrRSライブラリーとmutRNACUA Tyr で形質転換した細胞を増殖させた。細胞は突然変異体TyrRSが天然アミノ酸又はL−3−(2−ナフチル)アラニンでmutRNACUA Tyr をアミノアシル化する場合にしか生存することができない。次に、クロラムフェニコールの存在下で非天然アミノ酸の不在下に生存細胞を増殖させた。生存しなかった細胞はmutRNACUA Tyr にL−3−(2−ナフチル)アラニンを負荷する突然変異体をコードすると思われるので、非天然アミノ酸を加えたレプリカプレートから釣菌した。3回のポジティブ選択後にネガティブスクリーニングを行った後、CAT遺伝子のAsp112 TAGコドンの抑圧に基づくin vivoアッセイを使用して4個の突然変異体TyrRSを特性決定した。   The mutant TyrRS library was first subjected to positive selection based on suppression of the amber stop codon at a nonessential position (Asp112) of the chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene. Cells transformed with the mutant TyrRS library and mutRNACUA Tyr were grown in a minimal medium supplemented with 1 mM L-3- (2-naphthyl) alanine and 80 μg / mL chloramphenicol. Cells can survive only when the mutant TyrRS aminoacylates mutRNACUA Tyr with the natural amino acid or L-3- (2-naphthyl) alanine. Next, viable cells were grown in the presence of chloramphenicol in the absence of unnatural amino acids. The cells that did not survive appeared to encode a mutant loading mutRNACUA Tyr with L-3- (2-naphthyl) alanine, and were picked from a replica plate with an unnatural amino acid added. After negative screening after 3 positive selections, 4 mutant TyrRS were characterized using an in vivo assay based on suppression of the Asp112 TAG codon of the CAT gene.

表4. 突然変異体TyrRSのin vivoクロラムフェニコールアセチ
ルトランスフェラーゼアッセイa

突然変異体TyrRS IC50(μg/mLクロラムフェニコール)
L−3−(2−ナフ L−3−(2−ナフ
チル)−Alaなし チル)−Ala添加
TyrRSなし 4 4
野生型TyrRS 240 240
選択後
S1−TyrRS 30 120
S2−TyrRS 30 120
S3−TyrRS 25 110
S4−TyrRS 35 100
DNAシャフリング後
SS12−TyrRS 9 150

a pYC−J17プラスミドを使用してmutRNACUA Tyr 遺伝子とAsp112にアンバー終止コドンをもつクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ遺伝子を発現させた。pBKプラスミドを使用してTyrRSを発現させ、大腸菌DH10BにpYC−J17と同時形質転換した。各種濃度のクロラムフェニコールで滴定してGMMLプレート上の細胞生存を試験した。
Table 4. In vivo chloramphenicol acetyltransferase assay of mutant TyrRS a

Mutant TyrRS IC50 (μg / mL chloramphenicol)
L-3- (2-Naph L-3- (2-Naph
No chill) -Ala No chill) -Ala added TyrRS 4 4
Wild type TyrRS 240 240
After selection
S1-TyrRS 30 120
S2-TyrRS 30 120
S3-TyrRS 25 110
S4-TyrRS 35 100
After DNA shuffling
SS12-TyrRS 9 150

a The pYC-J17 plasmid was used to express the mutRNACUA Tyr gene and the chloramphenicol acetyltransferase gene with an amber stop codon at Asp112. The pBK plasmid was used to express TyrRS and cotransformed with pYC-J17 into E. coli DH10B. Cell viability on GMML plates was tested by titration with various concentrations of chloramphenicol.

L−3−(2−ナフチル)アラニンの不在下では、選択したTyrRSとmutRNACUA Tyr を発現する細胞は1%グリセロールと0.3mMロイシンを含む最少培地プレート(GMMLプレート)で25〜35μg/mLクロラムフェニコールの存在下に生存し、L−3−(2−ナフチル)アラニンの存在下では、細胞はGMMLプレートで100〜120μg/mLクロラムフェニコールの存在下に生存した。TyrRSの不在下のIC50値(4μg/mLクロラムフェニコール)に比較してこれらの結果は選択したTyrRSがL−3−(2−ナフチル)アラニンを受容するが、天然アミノ酸もある程度まで負荷することを示している。上記表4参照。   In the absence of L-3- (2-naphthyl) alanine, the selected TyrRS and mutRNACUA Tyr expressing cells are 25-35 μg / mL in a minimal medium plate (GMML plate) containing 1% glycerol and 0.3 mM leucine. Cells survived in the presence of lamphenicol, and in the presence of L-3- (2-naphthyl) alanine, cells survived in the presence of 100-120 μg / mL chloramphenicol on GMML plates. Compared to IC50 values in the absence of TyrRS (4 μg / mL chloramphenicol), these results indicate that the selected TyrRS accepts L-3- (2-naphthyl) alanine but also loads the natural amino acid to some extent It is shown that. See Table 4 above.

天然アミノ酸に対する突然変異体TyrRSの活性を更に弱めるために、上記4種の突然変異体遺伝子を鋳型として使用してDNAシャフリングを1回行った。得られた突然変異体TyrRSライブラリーを更に2回ポジティブ選択とネガティブスクリーニングにかけた。天然アミノ酸に対する活性が大幅に低下し(IC50=9μg/mLクロラムフェニコール)且つL−3−(2−ナフチル)アラニンに対する活性が増加(IC50=150μg/mLクロラムフェニコール)した1個の突然変異体TyrRS(SS12−TyrRS)が得られた。表4参照。
In order to further weaken the activity of mutant TyrRS against natural amino acids, DNA shuffling was performed once using the above four mutant genes as templates. The resulting mutant TyrRS library was further subjected to positive selection and negative screening twice. One with significantly reduced activity against natural amino acids (IC 50 = 9 μg / mL chloramphenicol) and increased activity against L-3- (2-naphthyl) alanine (IC 50 = 150 μg / mL chloramphenicol) Mutant TyrRS (SS12-TyrRS) was obtained. See Table 4.

得られた進化型SS12−TyrRSは以下の突然変異をもつ。Tyr32→Leu32、Asp158 →Pro158 、Ile159 →Ala159 、Leu162 →Gln162 、及びAla167 →Val167 。図15参照。相同B.stearothermophilus TyrRSの結晶構造によると、Tyr32→Leu32とAsp158 →Pro158 の突然変異はTyr32、Asp158 と天然基質チロシン間の水素結合を失わせる可能性があるのでチロシンとSS12−TyrRSの結合に不利であると考えられる。殆どの残基はL−3−(2−ナフチル)アラニンの結合を助長すると予想される疎水性側鎖をもつアミノ酸に突然変異される。野生型Methanococcus jannaschii TyrRSと進化型SS12−TyrRSの結晶構造は入手可能な方法により決定することができる。   The resulting evolved SS12-TyrRS has the following mutations: Tyr32 → Leu32, Asp158 → Pro158, Ile159 → Ala159, Leu162 → Gln162, and Ala167 → Val167. See FIG. Homologous B. According to the crystal structure of stearothermophilus TyrRS, the mutation of Tyr32 → Leu32 and Asp158 → Pro158 may be detrimental to the binding of tyrosine and SS12-TyrRS because it may cause loss of hydrogen bond between Tyr32, Asp158 and the natural substrate tyrosine. Conceivable. Most residues are mutated to amino acids with hydrophobic side chains that are predicted to facilitate the binding of L-3- (2-naphthyl) alanine. The crystal structures of wild-type Methanococcus jannaschii TyrRS and evolved SS12-TyrRS can be determined by available methods.

本明細書と対応出願(発明の名称" In vivo incorporation of unnatural amino acids" ,代理人整理番号54−000120PC/US)に記載した細胞増殖、タンパク質発現及び質量分析実施例によると、mutRNACUA Tyr /SS12−TyrRS対は天然アミノ酸に匹敵する忠実度でアンバーコドンに応答してL−3−(2−ナフチル)アラニンをタンパク質に選択的に挿入することができた。Wang,Brock,and Schultz,Adding L−3−(2−Naphthyl)alanine to the genetic code of E.coli.J.Am.Chem.Soc.,(2002)124(9):1836−7も参照されたい。チロシンと構造的に異なるアミノ酸に関する上記結果は、本明細書に記載する方法が多様な非天然アミノ酸に適用可能であることを裏付けるものである。   According to the examples of cell growth, protein expression and mass spectrometry described in this specification and the corresponding application (invention name “In vivo information of unnatural amino acids”, agent docket number 54-000120PC / US), mutRNACUA Tyr / SS12 The -TyrRS pair was able to selectively insert L-3- (2-naphthyl) alanine into the protein in response to amber codons with fidelity comparable to natural amino acids. Wang, Block, and Schultz, Adding L-3- (2-Naphthyl) alanine to the genetic code of E.M. coli. J. et al. Am. Chem. Soc. (2002) 124 (9): 1836-7. The above results for amino acids that are structurally different from tyrosine support the applicability of the methods described herein to a variety of unnatural amino acids.

実施例4−mutRNATyr/CUAに負荷するようにTyrRSを突然変異させ、所望特性をもつ突然変異TyrRSを他の方法(例えばFACS及びファージディスプレイ・パンニング)によりスクリーニング   Example 4-Mutating TyrRS to load mutRNATyr / CUA and screening mutant TyrRS with desired properties by other methods (eg FACS and phage display panning)

上記のようなレポーター遺伝子とタンパク質をin vivo FACSスクリーニング、抗体検出、in vitroファージディスプレイ・パンニング等と併用して直交対を選択することもできる。例えば、Wang & Schultz,Expanding the genetic code.Chem.Commun.,1:1−11(2002)参照。   Orthogonal pairs can also be selected using the reporter gene and protein as described above in combination with in vivo FACS screening, antibody detection, in vitro phage display panning, and the like. See, eg, Wang & Schultz, Expanding the genetic code. Chem. Commun. , 1: 1-11 (2002).

例えば、シンテターゼをスクリーニングするために、例えばグリーン蛍光タンパク質(GFP)をレポーターとして汎用蛍光活性化細胞ソーティング(FACS)によるスクリーニングが開発されている。図16A及びB参照。シンテターゼ活性はGFPの発現を誘導するT7 RNAポリメラーゼ内のセレクターコドン(例えばアンバー終止コドン(TAG))の抑圧により報告される。例えば、本発明の選択/スクリーニング方法の別の例を示す図26参照。アンバーコドンが抑圧される場合のみに細胞は機能的T7 RNAポリメラーゼを生産し、GFPを発現することができるので、細胞は蛍光発光する。ポジティブスクリーニングでは、直交tRNAに天然又は非天然アミノ酸を負荷する活性シンテターゼをコードする蛍光細胞を回収する。その後、選択した細胞を希釈し、非天然アミノ酸の不在下で増殖させた後、例えば非天然アミノ酸のみに特異性をもつシンテターゼを発現する非蛍光細胞をFACSにより選別する。図17A、B、C及びDはグルタミンシンテターゼを使用したセレクターコドン(例えばアンバーコドン)の抑圧を示す。蛍光強度の測定閾値を設定することにより、ポジティブ及びネガティブ両者のスクリーニングのストリンジェンシーを簡便に制御することができる。   For example, in order to screen synthetases, for example, screening by general-purpose fluorescence activated cell sorting (FACS) using green fluorescent protein (GFP) as a reporter has been developed. See FIGS. 16A and B. Synthetase activity is reported by suppression of a selector codon (eg, an amber stop codon (TAG)) in T7 RNA polymerase that induces GFP expression. See, for example, FIG. 26 which shows another example of the selection / screening method of the present invention. Only when the amber codon is suppressed, the cell will produce functional T7 RNA polymerase and can express GFP, so the cell will fluoresce. In positive screening, fluorescent cells that encode active synthetases that load the orthogonal tRNA with natural or unnatural amino acids are recovered. Thereafter, the selected cells are diluted and grown in the absence of the unnatural amino acid, and then non-fluorescent cells expressing, for example, a synthetase having specificity only for the unnatural amino acid are selected by FACS. FIGS. 17A, B, C and D show suppression of selector codons (eg, amber codons) using glutamine synthetase. By setting a threshold value for measuring the fluorescence intensity, the stringency of both positive and negative screening can be easily controlled.

特定非天然アミノ酸に特異的な直接ポジティブ選択法として、ファージ表面に提示される非天然アミノ酸に対するモノクローナル抗体の高親和性を利用した方法も開発されている。図18参照。M.PastrnakとP.G.Schultz,Bioorg.Med.Chem.,9:2373(2001)参照。例えば、ファージ産生がアンバー終止コドンの抑圧を必要とするように、アンバー突然変異をもつC3ペプチドをVSCM13ファージコートタンパク質pIIIのN末端に融合する。直交サプレッサーtRNAとシンテターゼライブラリーを発現するファージミドを含む細胞にC3TAGファージを感染させる。活性シンテターゼによりC3TAGが抑圧され、そのコグネイトアミノ酸がファージ表面に提示される。その後、ファージプールを非天然アミノ酸に対する固定化モノクローナル抗体と共にインキュベートし、非天然アミノ酸に特異的なシンテターゼをもつファージのみを単離する。模擬選択では、Aspを含むエピトープに対する抗体を使用してAsnを提示するファージのプールからAspを提示するファージを300倍以上に集積した。   As a direct positive selection method specific to a specific unnatural amino acid, a method utilizing the high affinity of a monoclonal antibody for the unnatural amino acid displayed on the phage surface has also been developed. See FIG. M.M. Pastrnak and P.A. G. Schultz, Bioorg. Med. Chem. 9: 2373 (2001). For example, a C3 peptide with an amber mutation is fused to the N-terminus of VSCM13 phage coat protein pIII so that phage production requires suppression of the amber stop codon. Cells containing a phagemid expressing an orthogonal suppressor tRNA and a synthetase library are infected with C3TAG phage. C3TAG is suppressed by the active synthetase, and its cognate amino acid is displayed on the phage surface. The phage pool is then incubated with an immobilized monoclonal antibody against the unnatural amino acid and only those phages with synthetases specific for the unnatural amino acid are isolated. In mock selection, antibodies against Asp-containing epitopes were used to accumulate Asp-displayed phage from the pool of phage displaying Asn more than 300 times.

数種のin vitroスクリーニング方法も使用することができる。このような方法の1例では、突然変異体シンテターゼのライブラリーをファージに提示し、ファージ粒子をアミノアシルアデニル酸中間体の固定化アミノアルキルアデニル酸類似体に対してパンニングする。図19参照。例えば、Methanococcus jannaschii TyrRSをM13ファージのpIIIコートタンパク質に融合した。このファージはチロシルアデニル酸のアミノアルキルアデニル酸類似体に対してパンニング後に非関連抗体を提示する対照ファージの1000倍に集積した。出発時のTyrRSファージ集団の0.1〜1%しかTyrRSタンパク質を提示しないので、実際の集積倍率は105 〜106 にすることができる。   Several in vitro screening methods can also be used. In one example of such a method, a library of mutant synthetases is presented to the phage and the phage particles are panned against the immobilized aminoalkyl adenylate analog of the aminoacyl adenylate intermediate. See FIG. For example, Methanococcus jannaschii TyrRS was fused to the pIII coat protein of M13 phage. This phage accumulated 1000-fold over control phage displaying unrelated antibodies after panning against an aminoalkyl adenylate analog of tyrosyl adenylate. Since only 0.1-1% of the starting TyrRS phage population displays TyrRS protein, the actual accumulation factor can be 10 5 -10 6.

実施例5−始原菌ロイシル−tRNAシンテターゼ対の作製   Example 5-Production of a protozoan leucyl-tRNA synthetase pair

始原菌Methanococcus jannaschii由来ロイシルtRNAシンテターゼとして、始原菌ロイシルtRNAに由来するアンバー及びフレームシフトサプレッサーtRNAをアミノアシル化することができるが、大腸菌に内在するtRNAをアミノアシル化しないロイシル−tRNAシンテターゼを同定した。本明細書に記載する選択ストラテジーを使用して、このシンテターゼにより選択的に負荷される高度に活性なtRNA基質を同定した。突然変異体シンテターゼライブラリーを作製し、非天然アミノ酸を選択的に負荷することが可能な突然変異体シンテターゼを選択することができる。   As a leucyl-tRNA synthetase derived from the protozoan Methanococcus jannaschii, a leucyl-tRNA synthetase was identified that can aminoacylate amber and frameshift suppressor tRNAs derived from the protozoan leucyl-tRNA but does not aminoacylate tRNA present in Escherichia coli. The selection strategy described herein was used to identify highly active tRNA substrates that are selectively loaded by this synthetase. Mutant synthetase libraries can be generated to select mutant synthetases that can be selectively loaded with unnatural amino acids.

アンチコドンをCUAアンチコドンで置換してアンバーサプレッサーtRNAとした5個の異なる始原菌ロイシルtRNAに由来するアンバーコドンとサプレッサーtRNAをシンテターゼもつβラクタマーゼレポーター遺伝子を構築した。7個の異なるロイシルtRNAをクローニングし、レポーター構築物で同時形質転換した。3個のシンテターゼはシンテターゼをもたない対照よりもシンテターゼの存在下でアンピシリン耐性が高く、これらの系を更に試験した。図20参照。   A β-lactamase reporter gene having an amber codon derived from 5 different protozoan leucyl tRNAs and a suppressor tRNA was synthesized by replacing the anticodon with a CUA anticodon to form an amber suppressor tRNA. Seven different leucyl tRNAs were cloned and co-transformed with the reporter construct. Three synthetases were more resistant to ampicillin in the presence of synthetase than controls without synthetase, and these systems were further tested. See FIG.

次段階では宿主tRNAと相互作用せずにサプレッサーtRNAに負荷するシンテターゼを決定した。Methanobacterium thermoautotrophicumとMethanococcus jannaschiiの2種の系を選択して発現させ、陽性対照としてHalobacteriumに由来する精製tRNAと大腸菌全tRNAでin vitroアミノアシル化を実施した。Methanococcus jannaschiiシンテターゼは大腸菌tRNAに有効に負荷することができたが、Methanobacterium thermoautotrophicumシンテターゼはHalobacterium tRNAに特異的であることが判明した。   In the next step, the synthetase loaded into the suppressor tRNA without interacting with the host tRNA was determined. Two strains, Methanobacterium thermoautotropicum and Methanococcus jannaschii, were selected and expressed, and in vitro aminoacylation was performed with purified tRNA derived from Halobacterium and total E. coli tRNA as positive controls. Methanococcus jannaschii synthetase was able to effectively load E. coli tRNA, but Methanobacterium thermoautotropicum synthetase was found to be specific for Halobacterium tRNA.

抑圧系の効率を高めるように更に改良した。アンチコドンループのA37はロイシルtRNAシンテターゼではG37であった。この突然変異は各種真核細胞とHalobacteriumで非コグネイトシンテターゼによるアミノアシル化に対するネガティブ決定基であると共に、(Halobacteriumではそうでないが)酵母でアミノアシル化のポジティブ決定基であることが分かった。A37は効率的抑圧の重要な要件であることも分かった。アンチコドンループをランダムに突然変異誘発し、より効率的な抑圧について選択した。G37をAに突然変異させると、より効率的なサプレッサーとなり、突然変異しないものに比較して20倍の濃度のアンピシリンを抑圧することができた。図21参照。   Further improvements were made to increase the efficiency of the suppression system. A37 of the anticodon loop was G37 in leucyl tRNA synthetase. This mutation was found to be a negative determinant for aminoacylation by non-cognate synthetases in various eukaryotic cells and Halobacterium and a positive determinant for aminoacylation in yeast (although not in Halobacterium). A37 was also found to be an important requirement for efficient suppression. Anti-codon loops were randomly mutagenized and selected for more efficient suppression. Mutating G37 to A resulted in a more efficient suppressor and was able to suppress 20 times the concentration of ampicillin compared to the unmutated one. See FIG.

大腸菌で他のシンテターゼにより優先的に負荷されないようにtRNAを改良するために、tRNAのアクセプターステムをランダム突然変異誘発した。ポジティブ/ネガティブ選択を使用してMethanobacterium thermoautotrophicum RSの不在下に負荷されないtRNAを同定した。   In order to improve tRNA so that it was not preferentially loaded by other synthetases in E. coli, the acceptor stem of tRNA was randomly mutagenized. Positive / negative selection was used to identify tRNAs that were not loaded in the absence of Methanobacterium thermoautotropicum RS.

選択した突然変異tRNAを観察した処、ロイシルアミノアシル化の必須ポジティブ決定基であることが先の全系で判明した識別子塩基A37は観察した全突然変異tRNAで保存されていた。直交性が改善された全突然変異tRNAでC3 :C70塩基対も保存されていた。観察された最良の突然変異体tRNAはシンテターゼの不在下のアミノアシル化が約3分の1となり、Methanobacterium thermoautotrophicum RSの存在下の抑圧が実際に増加した。   Upon observing the selected mutant tRNA, the identifier base A37, which was found in all previous systems to be an essential positive determinant of leucylaminoacylation, was conserved in all observed mutant tRNAs. All mutant tRNAs with improved orthogonality also conserved C3: C70 base pairs. The best mutant tRNA observed reduced aminoacylation in the absence of synthetase by about a third, and actually increased suppression in the presence of Methanobacterium thermoautotropicum RS.

例えば3塩基コドンでなく4塩基コドンを抑圧することが可能な変異体も作製した。4塩基コドンは一度に3塩基でなく一度に4塩基の遺伝コードをデコードすることが可能になり、64種しかアミノ酸をコードできない場合に256種をコードできる。4塩基コドンの使用に伴う問題はtRNAのアンチコドンループの拡張が必要であり、殆どの系が撹乱を受ける可能性があることである。しかし、ロイシル系の初代AGGAサプレッサーが同定された。これは8塩基のアンチコドンループをランダム突然変異誘発し、AGGA−βラクタマーゼレポーター系で選択を行うことにより作製した。図22参照。   For example, a mutant capable of suppressing a 4-base codon instead of a 3-base codon was also prepared. The 4-base codon can decode the genetic code of 4 bases at a time instead of 3 bases at a time, and can encode 256 types when only 64 types of amino acids can be encoded. The problem with the use of 4-base codons is that the anticodon loop of the tRNA needs to be extended and most systems can be disturbed. However, the first leucyl-based AGGA suppressor was identified. This was generated by random mutagenesis of an 8 base anticodon loop and selection in an AGGA-β lactamase reporter system. See FIG.

シンテターゼの編集機構も突然変異させ、編集機能を除去した。ロイシル系は他の数種のシンテターゼと同様に(少なくとも)2個の活性部位をもつ。一方の部位はATPによるアミノ酸の活性化を行い、シンテターゼと共に酵素結合アミノアシルアデニル酸を形成した後、アミノ酸をtRNAの3' 末端に転移する。他方、第2の部位はロイシン以外のアミノ酸をtRNAから加水分解することができない。ロイシン系はメチオニンとイソロイシンにこの転移後編集機能を発揮することが知られており、非天然アミノ酸にも同様に機能する場合がある。   The editing mechanism of the synthetase was also mutated to remove the editing function. The leucyl system has (at least) two active sites like several other synthetases. One site activates the amino acid with ATP, forms an enzyme-linked aminoacyl adenylate with synthetase, and then transfers the amino acid to the 3 ′ end of the tRNA. On the other hand, the second site cannot hydrolyze amino acids other than leucine from tRNA. The leucine system is known to exert this post-transfer editing function on methionine and isoleucine, and may function on unnatural amino acids as well.

まず、編集ドメインを除去した。編集ドメインを6個のタンデムランダムアミノ酸のライブラリーで置換した。βラクタマーゼ中の終止コドンの抑圧に基づくポジティブ選択を使用した。多数の機能的シンテターゼが得られたが、これらのシンテターゼを精製しようと試みたが、いずれの場合も何も検出することができず、これらの全シンテターゼは温度感受性表現型を示し、編集ドメインの欠失の結果として不安定なタンパク質となったことが示唆された。   First, the edit domain was removed. The editing domain was replaced with a library of 6 tandem random amino acids. Positive selection based on suppression of stop codons in β-lactamase was used. A number of functional synthetases were obtained, but attempts were made to purify these synthetases, but in any case none could be detected, all these synthetases displayed a temperature sensitive phenotype and It was suggested that the deletion resulted in an unstable protein.

次に、編集ドメインに点突然変異を行った。編集ドメインの触媒コアは種間で十分に保存されており、少なくとも分枝鎖アミノ酸の類では異なるアミノ酸でも保存されている。これらの保存部位の数箇所は従来突然変異されており(例えばT→P)、編集機能を欠損することが分かっている。数種の公知突然変異体に類似するMethanobacterium thermoautotrophicum RSの突然変異体を構築すると共に、T214に由来する20メンバーNNKライブラリーも作製した。タンパク質を発現させ、ロイシンとメチオニンによるアミノアシル化をin vitro試験した。従来同定されている突然変異のうちで本発明の系に転移可能なものは皆無であったが、T214ライブラリーから望ましい突然変異が同定された。ロイシンを負荷することが可能な2個の突然変異体T214S及びT214Qが同定された。これらの突然変異体のうちでT214Qのみはメチオニンを負荷することができた。T214Sは明らかにメチオニンを削除する機能を維持しているが、Gln突然変異体はこの機能を失っていた。   Next, point mutations were made in the editing domain. The catalytic core of the editing domain is well conserved among species, and is conserved even with different amino acids, at least in the class of branched chain amino acids. Several of these conserved sites have been conventionally mutated (eg, T → P) and are known to lack editing functions. In addition to constructing mutants of Methanobacterium thermoautotropicum RS similar to several known mutants, a 20-member NNK library derived from T214 was also created. The protein was expressed and tested in vitro for aminoacylation with leucine and methionine. None of the previously identified mutations were transferable to the system of the present invention, but desirable mutations were identified from the T214 library. Two mutants T214S and T214Q capable of loading leucine were identified. Of these mutants, only T214Q was able to load methionine. T214S clearly maintains the function of deleting methionine, but the Gln mutant has lost this function.

次にThermus thermophilusロイシルシンテターゼについて解明されている結晶構造に基づいてライブラリーを設計した。ロイシンアミノアルキルアデニル酸類似体アデノシンインヒビターのロイシン側鎖を活性部位に結合した。ロイシン側鎖結合ポケットの周囲の6部位をランダムアミノ酸で置換し、より大きいライブラリーを作製した。その後、例えばポジティブ/ネガティブ2段階選択を行うことにより、このライブラリーからのシンテターゼをスクリーニングすると、非天然アミノ酸を選択的に負荷することが可能なシンテターゼを同定することができる。   Next, a library was designed based on the crystal structure elucidated for Thermus thermophilus leucyl synthetase. The leucine side chain of the leucine aminoalkyl adenylate analog adenosine inhibitor was attached to the active site. Six sites around the leucine side chain binding pocket were replaced with random amino acids to create a larger library. Subsequent screening of synthetases from this library, for example by performing a positive / negative two-step selection, can identify synthetases capable of selectively loading unnatural amino acids.

実施例6−4塩基コドンを効率的に抑圧するtRNAの同定   Example 6-4 Identification of tRNA that efficiently suppresses base codons

4塩基コドンを効率的に抑圧する突然変異tRNAを同定するために併用アプローチを使用した。T.J.Magliery,J.C.Anderson and P.G.Schultz,J.Mol.Biol.,307:755(2001)参照。βラクタマーゼ遺伝子のセリンコドンを4個のランダムヌクレオチドで置換したレポーターライブラリーを構築した。次に、アンチコドンループ(7nt)を8又は9個のランダムヌクレオチドで置換した大腸菌の誘導体から構成される突然変異tRNA(例えばサプレッサーtRNA)サプレッサーライブラリーを作製した。これらの2つのライブラリーを交配すると、4塩基配列を単一コドンとしてデコードする適当なフレームシフトサプレッサーtRNAが全長βラクタマーゼを翻訳し、細胞はアンピシリン耐性となった。より高いアンピシリン濃度での生存は、対応するtRNAが4塩基コドンに対してより高い抑圧効率をもつことを意味する。この選択を使用し、天然三重項コドンサプレッサーに近い効率をもつカノニカル4塩基コドンのみをデコードする4種の四重項コドンAGGA、CUAG、UAGA及びCCCUとそのコグネイトサプレッサーtRNAを同定した。このストラテジーを使用して新規5及び6塩基コドンサプレッサーも選択した。Anderson,Magliery,Schultz,Exploring the Limits of Codon and Anticodon Size,Chemistry & Biology,9:237−244(2002)参照。新規に同定されたものも含めてこれらの拡張コドンは多重非天然アミノ酸のin vitro組込みとin vivoタンパク質突然変異誘発に有用であると思われる。   A combinatorial approach was used to identify mutant tRNAs that efficiently suppress 4-base codons. T.A. J. et al. Magliay, J .; C. Anderson and P.M. G. Schultz, J. et al. Mol. Biol. 307: 755 (2001). A reporter library was constructed in which the serine codon of the β-lactamase gene was replaced with 4 random nucleotides. Next, a mutant tRNA (for example, suppressor tRNA) suppressor library composed of E. coli derivatives in which the anticodon loop (7 nt) was replaced with 8 or 9 random nucleotides was prepared. When these two libraries were crossed, an appropriate frameshift suppressor tRNA that decodes the 4 base sequence as a single codon translated full-length β-lactamase, and the cells became ampicillin resistant. Survival at higher ampicillin concentrations means that the corresponding tRNA has a higher suppression efficiency for 4-base codons. Using this selection, we identified four quartet codons AGGA, CUAG, UAGA, and CCCU and their cognate suppressor tRNAs that decode only canonical four base codons with efficiencies similar to natural triplet codon suppressors. New 5 and 6 base codon suppressors were also selected using this strategy. See Anderson, Maglyry, Schultz, Exploring the Limits of Codon and Anticodon Size, Chemistry & Biology, 9: 237-244 (2002). These extended codons, including those newly identified, appear to be useful for in vitro integration of multiple unnatural amino acids and in vivo protein mutagenesis.

実施例7−p−アミノフェニルアラニンの直交tRNAシンテターゼの作製   Example 7-Preparation of p-aminophenylalanine orthogonal tRNA synthetase

p−アミノフェニルアラニン(pAF)の直交シンテターゼを作製するために、Methanococcus jannaschiiチロシルtRNAシンテターゼ(TyrRS)と突然変異体チロシンアンバーサプレッサーtRNA(TyrCUAmutRNA)の対を出発点として使用した。Wang,L.,Magliery,T.J.,Liu,D.R. & Schultz,P.G.A new functional suppressor tRNA/aminoacyl−tRNA synthetase pair for the in vivo incorporation of unnatural amino acids into proteins.J.Am.Chem.Soc.122:5010−5011(2000);及びWang,L. & Schultz,P.G.Chem.and Biol.8:883(2001)参照。pAFを受容し且つ20種の共通アミノ酸のいずれをも受容しないようにMethanococcus jannaschii TyrRSのアミノ酸特異性を改変することによりpAF特異的シンテターゼ(pAFRS)を作製した。ポジティブ選択とネガティブスクリーニングの組合せを使用し、5カ所(Tyr32、Glu107 、Asp158 、Ile159 及びLeu162 )にランダムアミノ酸を含むTyrRS変異体12のライブラリーからpAFRS酵素を同定した。Wang,L.,Brock,A.,Herberch,B. & Schultz,P.G.Expanding the genetic code of Escherichia coli.Science 292:498−500(2001)参照。選択とスクリーニングの両者に単一レポータープラスミドを使用した。例えば、レポータープラスミドはCAT、T7 RNAポリメラーゼ、GFP及びTyrCUAmutRNAの遺伝子とTet耐性選択マーカーを含むpREP(2)/YC−JYCUAである。CAT遺伝子はD112位にTAGコドン置換を含む。T7 RNAポリメラーゼ遺伝子は7アミノ酸N末端リーダーペプチドを含み、M1とQ107にTAG置換を含む。   To create an orthogonal synthetase of p-aminophenylalanine (pAF), a pair of Methanococcus jannaschii tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS) and mutant tyrosine amber suppressor tRNA (TyrCUAmutRNA) was used as a starting point. Wang, L.W. , Magliay, T .; J. et al. Liu, D .; R. & Schultz, P.A. G. A new functional suppressor tRNA / aminoacyl-tRNA synthetase pair for the in vivo information of unintentional amino acids into proteins. J. et al. Am. Chem. Soc. 122: 5010-5011 (2000); and Wang, L .; & Schultz, P.A. G. Chem. and Biol. 8: 883 (2001). A pAF-specific synthetase (pAFRS) was generated by modifying the amino acid specificity of Methanococcus jannaschii TyrRS to accept pAF and not any of the 20 common amino acids. Using a combination of positive selection and negative screening, a pAFRS enzyme was identified from a library of TyrRS variant 12 containing random amino acids in five locations (Tyr32, Glu107, Asp158, Ile159 and Leu162). Wang, L.W. , Block, A .; Herberch, B .; & Schultz, P.A. G. Expanding the genetic code of Escherichia coli. Science 292: 498-500 (2001). A single reporter plasmid was used for both selection and screening. For example, the reporter plasmid is pREP (2) / YC-JYCUA containing the genes for CAT, T7 RNA polymerase, GFP and TyrCUAmutRNA and a Tet resistance selection marker. The CAT gene contains a TAG codon substitution at position D112. The T7 RNA polymerase gene contains a 7 amino acid N-terminal leader peptide and contains TAG substitutions at M1 and Q107.

ポジティブ選択はpAF又は内在アミノ酸によるクロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子内の許容位置のTAGコドンの抑圧に基づいて行う。例えばWang,L.ら,(2001)前出;及びPasternak,M.,Magliery,T.J. & Schultz,P.G.A new orthogonal suppressor tRNA/aminoacyl−tRNA synthetase pair for evolving an organism with an expanded genetic code.Helvetica Chemica Acta 83:2277(2000)参照。pAFを含む液体培地でTyrRSライブラリーとレポータープラスミドを含む細胞を増殖させ、クロラムフェニコール(Cm)の存在下で生存する細胞を選択した。例えば、ポジティブ選択では、35μg/ml Kn、25μg/ml Tet、75μg/ml Cm及び1mM pAF(Sigma)を加えたGMML最少培地で細胞を増殖させた。   Positive selection is based on suppression of TAG codons at permissive positions in the chloramphenicol acetyltransferase (CAT) gene by pAF or endogenous amino acids. For example, Wang, L .; Et al. (2001) supra; and Pasternak, M .; , Magliay, T .; J. et al. & Schultz, P.A. G. A new orthologous suppressor tRNA / aminoacyl-tRNA synthetase pair for developing an organic gene with an expanded genetic code. See Helvetica Chema Acta 83: 2277 (2000). Cells containing the TyrRS library and the reporter plasmid were grown in a liquid medium containing pAF, and cells that survived in the presence of chloramphenicol (Cm) were selected. For example, for positive selection, cells were grown in GMML minimal medium supplemented with 35 μg / ml Kn, 25 μg / ml Tet, 75 μg / ml Cm and 1 mM pAF (Sigma).

ネガティブスクリーニングはpAFの不在下でT7 RNAポリメラーゼ遺伝子内の許容位置の2個のTAG終止コドンを抑圧できないことに基づいて行う。全長T7 RNAポリメラーゼの発現はグリーン蛍光タンパク質(GFP)の発現を誘導する。ポジティブ選択からの細胞をpAFとCmの不在下で増殖させた後、蛍光活性化細胞ソーティング(FACS)を使用して蛍光の欠如をスクリーニングする。例えば、ネガティブスクリーニングでは、35μg/ml Kn、25μg/ml Tet及び0.002%アラビノースを加えたGMML培地で細胞を増殖させた。Coherent Enterprise IIイオンレーザーでBDIS FACVantage TSO細胞ソーターを使用してFACSを実施した。励起波長は351nmとし、575/25nm帯域フィルターで発光を検出した。細胞を集め、TetとKnを加えたLB少なくとも10容量で希釈し、飽和まで増殖させた。   Negative screening is performed based on the inability to suppress two TAG stop codons at permissive positions in the T7 RNA polymerase gene in the absence of pAF. Expression of full-length T7 RNA polymerase induces the expression of green fluorescent protein (GFP). Cells from positive selections are grown in the absence of pAF and Cm and then screened for lack of fluorescence using fluorescence activated cell sorting (FACS). For example, in negative screening, cells were grown in GMML medium supplemented with 35 μg / ml Kn, 25 μg / ml Tet and 0.002% arabinose. FACS was performed using a BDIS FACVantage TSO cell sorter with a Coherent Enterprise II ion laser. The excitation wavelength was 351 nm, and emission was detected with a 575/25 nm band filter. Cells were collected and diluted with at least 10 volumes of LB plus Tet and Kn and grown to saturation.

液体培地でのポジティブ選択2回と、ネガティブスクリーニング1回と、更に1回の液体培地でのポジティブ選択と、プレート上でのポジティブ選択1回の後に所望pAFRSが同定された。pAFRS酵素は野生型TyrRSに対して5個の突然変異を含む(Y32T,E107T,D158P,I159L及びL162A)。pAFの不在下では、選択したpAFRSとレポータープラスミドを発現する細胞のIC50はGMML最少培地プレートで10μg/ml Cmであった。1mM pAFの存在下ではIC50は120μg/ml Cmであった。従って、pAFはUAGコドンを選択的に抑圧している。   Desired pAFRS was identified after two positive selections in liquid medium, one negative screening, one positive selection in liquid medium, and one positive selection on the plate. The pAFRS enzyme contains 5 mutations relative to wild type TyrRS (Y32T, E107T, D158P, I159L and L162A). In the absence of pAF, the IC50 of cells expressing the selected pAFRS and reporter plasmid was 10 μg / ml Cm on the GMML minimal medium plate. In the presence of 1 mM pAF, the IC50 was 120 μg / ml Cm. Therefore, pAF selectively suppresses the UAG codon.

実施例8−蛍光活性化細胞ソーティングを使用したアミノアシルtRNAシンテターゼの進化   Example 8-Evolution of aminoacyl tRNA synthetases using fluorescence activated cell sorting

FACに基づくスクリーニングシステムを使用してアミノ、イソプロピル又はアリル含有チロシン類似体を受容する3種の高度選択性シンテターゼ変異体を迅速に進化させた。このシステムでは多目的レポータープラスミドを使用してポジティブ及びネガティブ両者の選択圧をかけ、シンテターゼ活性を容易且つ定量的に評価した。クロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ(CAT)マーカーによりM.jannaschiiチロシル−tRNAシンテターゼ(TyrRS)の活性のポジティブ選択を行った。T7ポリメラーゼ/GFPレポーター系により、非天然アミノ酸の存在下と不在下で増殖させた細胞内のシンテターゼ活性を評価した。蛍光活性化細胞ソーティング(FACS)を使用して天然アミノ酸を受容するシンテターゼ変異体をスクリーニングし、目視とフルオロメトリー分析によりシンテターゼ活性を夫々定性及び定量的に評価した。   A FAC-based screening system was used to rapidly evolve three highly selective synthetase variants that accept amino, isopropyl or allyl containing tyrosine analogs. In this system, a multipurpose reporter plasmid was used to apply both positive and negative selection pressures to easily and quantitatively evaluate synthetase activity. With the chloramphenicol acetyltransferase (CAT) marker Positive selection of the activity of jannaschii tyrosyl-tRNA synthetase (TyrRS) was performed. Synthetase activity in cells grown in the presence and absence of unnatural amino acids was assessed by the T7 polymerase / GFP reporter system. Synthetase variants that accept natural amino acids were screened using fluorescence activated cell sorting (FACS), and synthetase activity was assessed qualitatively and quantitatively by visual and fluorometric analysis, respectively.

増幅性蛍光レポーター系の設計。生きた細胞でシンテターゼ活性を評価する汎用スクリーニングシステムを開発する試みは、シンテターゼ変異体集団に適用する選択圧、特にネガティブ選択圧をより精密に制御したいという要望に端を発した。多数のシンテターゼ変異体の活性を評価するためにシステムを使用しなければならないので、高スループットスクリーニングが可能なレポーターが追求された。更に、シンテターゼ活性を容易に定性及び定量評価できるようなレポーターが必要であった。これらの要件を満たすために、蛍光スクリーニングが考案された。このシステムは大腸菌での発現に最適化されたグリーン蛍光タンパク質の変異体であるGFPuvのシンテターゼ依存性生産に基づいて考案された(Crameri,A.,Whitehorn,E.A.,Tate,E.& Stemmer,W.P.,Nature Biotechnol.1996,14,315−319参照)。この蛍光体はFACSとフルオロメトリーで使用することができ、更に固体培地と液体培地で目視にも利用できる。このシステムはセレクター(例えばアンバーナンセンスコドン)のシンテターゼ依存性抑圧により蛍光シグナルを発生するように設計された。レポーターの感度を最大にするために、他の増幅可能な細胞内レポーター系と同様にGFPuvレポーター遺伝子の発現を誘導するように構成されたT7 RNAポリメラーゼ遺伝子内にアンバーコドンを配置することにより増幅可能にした(Lorincz,M.,Roederer,M.,Diwu,Z.,Herzenberg,L.A.,Nolan,G.P.Cytometry,1996,24,321−329;及びZlokarnik,G.,Negulescu,P.A.,Knapp,T.E.,Mere,L.,Burres,N.,Feng,L.,Whitney,M.,Roemer,K.& Tsien,R.Y.,Science,1998,279,84−88参照)。アンバーコドンを含むT7 RNAポリメラーゼに合うようにRNA転写産物の生産を容易に最適化できるようにするために、T7 RNAポリメラーゼ遺伝子をアラビノースプロモーターの制御下においた。   Design of an amplifiable fluorescent reporter system. Attempts to develop a universal screening system for assessing synthetase activity in living cells originated from the desire to more precisely control the selection pressure, particularly the negative selection pressure, applied to the synthetase mutant population. Since the system must be used to assess the activity of numerous synthetase variants, reporters capable of high throughput screening were sought. In addition, a reporter was needed that could easily qualitatively and quantitatively evaluate synthetase activity. To meet these requirements, fluorescent screening was devised. This system was devised based on the synthetase-dependent production of GFPuv, a mutant of green fluorescent protein optimized for expression in E. coli (Crameri, A., Whitehorn, EA, Tate, E. & Stemmer, WP, Nature Biotechnol. 1996, 14, 315-319). This phosphor can be used in FACS and fluorometry, and can also be used visually in solid and liquid media. This system was designed to generate a fluorescent signal by synthetase-dependent suppression of a selector (eg, an amber nonsense codon). Amplified by placing an amber codon in the T7 RNA polymerase gene configured to induce expression of the GFPuv reporter gene, similar to other amplifiable intracellular reporter systems, to maximize reporter sensitivity (Lorincz, M., Roederer, M., Diwu, Z., Herzenberg, LA, Nolan, GP Cytometry, 1996, 24, 321-329; and Zlokarnik, G., Negulescu, P A., Knapp, TE, Mere, L., Burres, N., Feng, L., Whitney, M., Roemer, K. & Tsien, RY, Science, 1998, 279, 84. -88). The T7 RNA polymerase gene was placed under the control of the arabinose promoter so that the production of RNA transcripts could be easily optimized to fit a T7 RNA polymerase containing an amber codon.

T7 RNAポリメラーゼ/GFPuvレポーター系の最適化。アラビノースプロモーターの制御下にアンバーコドンを含むT7 RNAポリメラーゼ変異体を発現させると共にT7プロモーターの制御下にGFPuv遺伝子を発現させるように中コピーレポータープラスミドpREPを設計した(図17a)。シンテターゼ依存性蛍光増加を最適化するように設計した12種の一連のT7 RNAポリメラーゼ変異体(図17b)をpREPに挿入してプラスミドpREP(1〜12)を作製した。全変異体は7アミノ酸(MTMITVH)のN末端リーダー配列と1〜3個のアンバー終止コドン(TAG)を含んでいた。変異体1〜3はリーダー配列のすぐ下流の1位の元のメチオニン(M1)を夫々1、2及び3個のアンバー終止コドンで置換していた。変異体4〜9は構造のループ領域に位置すると予想されるD10、R96、Q107、A159、Q169又はQ232が夫々アンバーコドンで置換していた(Jeruzalmi,D.& Steiz,T.A.,EMBO J.,1998,17,4101−4113)。変異体10〜12はM1位とQ107、A159又はQ232位が夫々アンバー終止コドンで置換していた。直交グルタミニル−tRNAシンテターゼとS.cerevisiae由来グルタミンtRNACUA を含む適合可能なプラスミドを使用して生きた細胞のフルオロメトリーとフローサイトメトリーによりプラスミド構築物の蛍光増加を検討した。プラスミドpREP(1〜12)は各種レベルのシンテターゼ依存性蛍光増加を生じることが判明し、最良構築物pREP(10)は不活性突然変異体に比較して野生型シンテターゼを含む細胞でフルオロメトリーにより220倍の蛍光(図17c)を示し、サイトメトリーにより〜400倍の蛍光中央値(図17d)を示した。pREP(10)内のアンバーコドンに対応する位置の各種官能基を置換した処、T7 RNAポリメラーゼ内の107位の許容性が高いことが判明した。   Optimization of the T7 RNA polymerase / GFPuv reporter system. The medium copy reporter plasmid pREP was designed to express a T7 RNA polymerase mutant containing an amber codon under the control of the arabinose promoter and to express the GFPuv gene under the control of the T7 promoter (FIG. 17a). A series of 12 T7 RNA polymerase mutants (FIG. 17b) designed to optimize synthetase-dependent fluorescence increase were inserted into pREP to create plasmid pREP (1-12). All mutants contained a 7 amino acid (MTMITVH) N-terminal leader sequence and 1-3 amber stop codons (TAG). Mutants 1-3 had replaced the original methionine (M1) at position 1 immediately downstream of the leader sequence with 1, 2, and 3 amber stop codons, respectively. Mutants 4-9 had D10, R96, Q107, A159, Q169 or Q232, which are expected to be located in the loop region of the structure, replaced with amber codons, respectively (Jeruzalmi, D. & Steiz, TA, EMBO). J., 1998, 17, 4101-4113). In the mutants 10 to 12, the M1 position and the Q107, A159 or Q232 position were each replaced with an amber stop codon. Orthogonal glutaminyl-tRNA synthetase and S. cerevisiae The increase in fluorescence of the plasmid construct was examined by fluorometry and flow cytometry of living cells using a compatible plasmid containing cerevisiae-derived glutamine tRNACUA. Plasmid pREP (1-12) was found to produce various levels of synthetase-dependent fluorescence increase, and the best construct, pREP (10), was 220 by fluorometry in cells containing wild type synthetase compared to the inactive mutant. Double fluorescence (Figure 17c) was shown, and ~ 400-fold median fluorescence (Figure 17d) was shown by cytometry. When various functional groups at positions corresponding to the amber codon in pREP (10) were substituted, it was found that the tolerance at position 107 in T7 RNA polymerase was high.

多目的レポータープラスミドの構築。M.jannaschii TyrRSの変異体を選択及びスクリーニングするために使用する多目的プラスミドを構築するために、プラスミドpREP(10)をプラスミドpYC−J17(Wang,L.,Brock,A.,Herberich,B.& Schultz,P.G.,Science,2001,292,498−500参照)と融合し、pREP/YC−JUCUA(図25a)を得た。O−メチル−L−チロシン(OMY)の組込みに選択的なM.jannaschii TyrRSの変異体を発現する適合可能なプラスミド(pBK−mJYRS;Wang,L.,Brock,A.,Herberich,B.& Schultz,P.G.,Science,2001,292,498−500)を使用してプラスミドpREP/YC−JYCUAの機能をアッセイした。pREP/YC−JYCUAとpBK−mJYRSを導入した細胞をOMYの存在下に増殖させた処、プラスミドpYC−J17を使用して得られると同一の120μg/mlのクロラムフェニコール(Cm)IC50値を示し、フルオロメトリーで測定した場合にOMYの存在下に増殖させた細胞の蛍光強度は不在下の330倍であった。   Construction of a multipurpose reporter plasmid. M.M. To construct a multipurpose plasmid used to select and screen for variants of jannaschii TyrRS, plasmid pREP (10) was transformed into plasmid pYC-J17 (Wang, L., Block, A., Herberich, B. & Schultz, PG, Science, 2001, 292, 498-500) to obtain pREP / YC-JUCUA (FIG. 25a). M. selective for O-methyl-L-tyrosine (OMY) incorporation. A compatible plasmid (pBK-mJYRS; Wang, L., Block, A., Herberich, B. & Schultz, PG, Science, 2001, 292, 498-500) expressing a variant of jannaschii TyrRS Used to assay the function of plasmid pREP / YC-JYCUA. When cells transfected with pREP / YC-JYCUA and pBK-mJYRS were grown in the presence of OMY, the same chloramphenicol (Cm) IC50 value of 120 μg / ml obtained using plasmid pYC-J17 The fluorescence intensity of cells grown in the presence of OMY as measured by fluorometry was 330 times that in the absence.

M.jannaschiiチロシルtRNAシンテターゼの基質特異性の進化。チロシンのフェノール側鎖以外の化学基を選択的に受容するようにM.jannaschii TyrRSのアミノ酸側鎖結合ポケットを進化させることができることが報告されている(Wang,L.,Brock,A.,Herberich,B.& Schultz,P.G.,Science,2001,292,498−500;Wang,L.,Brock,A.,& Schultz,P.G.,J.Am.Chem.Soc.2002,124,1836−1837参照)。本発明者らはp−イソプロピルフェニルアラニン(pIF)、p−アミノフェニルアラニン(pAF)、p−カルボキシルフェニルアラニン(pCF)又はO−アリルチロシン(OAT)の4種の新規官能基(図25b)を酵素に受容させることによりM.jannaschii TyrRSによる非天然アミノ酸組込みの一般性を更に検討しようと試みた。チロシル環のパラ位に結合ポケットを形成すると考えられる残基であるY32、E107、D158、I159及びL162位にランダム変異をもつM.jannaschii TyrRS変異体のライブラリー(Wang,L.,Brock,A.,Herberich,B.& Schultz,P.G.,Science,2001,292,498−500)を、プラスミドpREP/YC−JYCUAを含む細胞に導入した。ライブラリーダイバーシティ〜109 をもつこれらの細胞を使用してpIF、pAF、pCF又はOATに選択的なシンテターゼ変異体を同定する4種の進化実験を開始した(図25b)。Cmと4種の非天然アミノ酸の1種の存在下に細胞培養液を飽和まで増殖させることによりポジティブ選択を2サイクル行った。2サイクル目のポジティブ選択後に細胞アリコートを取出し、アミノ酸又はCmを加えない新しい培養液に接種するために使用し、培養液を再び飽和まで増殖させた。この時点で蛍光発光する細胞は20種の天然アミノ酸の1種を受容できるシンテターゼ変異体を含むと思われる。各株から約108 個の細胞をFACSによるネガティブスクリーニングにかけ、天然アミノ酸を受容するシンテターゼ変異体を排除した。蛍光発光しない細胞を集め、飽和まで増殖させることにより増幅した。これらの増幅細胞を使用して新規培養液に接種し、非天然アミノ酸とCmを加えた液体培地で最終サイクルのポジティブ選択にかけた。飽和まで増殖後に0、30、60又は100μg/mLCmと適当な非天然アミノ酸0又は1mMを加えた培地に各細胞集団を播種した。   M.M. Evolution of substrate specificity of jannaschii tyrosyl-tRNA synthetase. M. so as to selectively accept chemical groups other than the phenol side chain of tyrosine. It has been reported that the amino acid side chain binding pocket of jannaschii TyrRS can be evolved (Wang, L., Block, A., Herberich, B. & Schultz, PG, Science, 2001, 292, 498-). 500; see Wang, L., Block, A., & Schultz, PG, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 1836-1837). The present inventors used four kinds of new functional groups (FIG. 25b) of p-isopropylphenylalanine (pIF), p-aminophenylalanine (pAF), p-carboxylphenylalanine (pCF), or O-allyltyrosine (OAT) as enzymes. By accepting M.M. An attempt was made to further examine the generality of unnatural amino acid incorporation by jannaschii TyrRS. M. cerevisiae having random mutations at positions Y32, E107, D158, I159 and L162, which are residues thought to form a binding pocket at the para position of the tyrosyl ring. a library of jannaschii TyrRS variants (Wang, L., Block, A., Herberich, B. & Schultz, PG, Science, 2001, 292, 498-500), including plasmid pREP / YC-JYCUA Introduced into cells. Using these cells with a library diversity of 10 9, four evolutionary experiments were started to identify synthetase variants selective for pIF, pAF, pCF or OAT (FIG. 25b). Two cycles of positive selection were performed by growing the cell culture to saturation in the presence of Cm and one of the four unnatural amino acids. A cell aliquot was removed after the second cycle of positive selection and used to inoculate a new culture without the addition of amino acids or Cm, and the culture was again grown to saturation. Cells that fluoresce at this point appear to contain a synthetase variant that can accept one of the 20 natural amino acids. Approximately 10 8 cells from each strain were subjected to negative screening by FACS to exclude synthetase variants that accept natural amino acids. Cells that did not fluoresce were collected and amplified by growing to saturation. These amplified cells were used to inoculate new cultures and subjected to a final cycle positive selection in liquid medium supplemented with unnatural amino acids and Cm. Each cell population was seeded in a medium supplemented with 0, 30, 60 or 100 μg / mL Cm and the appropriate unnatural amino acid 0 or 1 mM after growth to saturation.

進化シンテターゼ変異体の同定と特性決定。pIF、pAF及びOATを加えたCmプレートはアミノ酸を加えないプレートの10〜100倍の数の蛍光コロニーを生じた。これに対して、pCF集団のプレートはpCF添加の有無に拘わらず同一数の蛍光コロニーを生じた。非天然アミノ酸を加えたプレートからのpIF、pAF及びOAT集団の各々について大きいほうから10個の蛍光コロニーを釣菌し、非天然アミノ酸の存在下又は不在下に液体培地で飽和まで増殖させた。携帯長波長紫外線ランプを使用して蛍光発生の定性評価を目視により行った(図23a)。   Identification and characterization of evolutionary synthetase variants. The Cm plate to which pIF, pAF and OAT were added produced 10 to 100 times as many fluorescent colonies as the plate to which no amino acid was added. In contrast, the plate of the pCF population produced the same number of fluorescent colonies with or without pCF addition. The 10 largest fluorescent colonies were picked for each of the pIF, pAF, and OAT populations from the plate with the unnatural amino acid added and grown to saturation in liquid medium in the presence or absence of the unnatural amino acid. A qualitative evaluation of fluorescence generation was visually performed using a portable long wavelength ultraviolet lamp (FIG. 23a).

蛍光に有意差を生じるクローンに対応するシンテターゼ変異体を配列決定した。pIF及びpAF集団からの全10個のクローンは同一配列であったが、OAT集団からは3種の異なるクローンが同定された。全クローンで5箇所のランダム突然変異部位にアミノ酸置換があり、pIF−tRNAシンテターゼ(pIF−RS)変異体には更に2箇所の置換があった。各クローンの活性を定量評価した。非天然アミノ酸の存在下又は不在下に液体培地で増殖させた細胞の蛍光をフルオロメトリーにより測定した(図23b)。非天然アミノ酸の存在下又は不在下に各種Cm濃度で細胞をプレート培養することによりCm IC50を測定した(図23c)。   Synthetase variants corresponding to clones that produced a significant difference in fluorescence were sequenced. All 10 clones from the pIF and pAF populations were identical sequences, but 3 different clones were identified from the OAT population. All clones had amino acid substitutions at 5 random mutation sites, and the pIF-tRNA synthetase (pIF-RS) mutant had 2 further substitutions. The activity of each clone was quantitatively evaluated. The fluorescence of cells grown in liquid medium in the presence or absence of unnatural amino acids was measured by fluorometry (FIG. 23b). Cm IC50 was measured by plating the cells at various Cm concentrations in the presence or absence of unnatural amino acids (FIG. 23c).

4位にアンバーコドンを含むミオグロブリン遺伝子を使用して非天然アミノ酸を含むタンパク質の生産を評価した。pIF、pAF又はOATの存在下又は不在下にpIF−RS、pAF−RS又はOMT−RS変異体を夫々使用して遺伝子を細胞で発現させた(図23d)。タンパク質収率は全3種の変異体で同等であり、非天然アミノ酸含有細胞培養液1リットル当たりタンパク質1〜2mgであった。他方、非天然アミノ酸の不在下に増殖させた培養液ではタンパク質生産はほとんど検出できなかった。タンパク質をエレクトロスプレー質量分析により分析した処、夫々の質量はpIF含有タンパク質18457.40±0.81(予想値18457.28)、pAF含有タンパク質18430.30±0.27(予想値18430.21)であった。Cm IC50、フルオロメトリー及びタンパク質発現分析を使用して得られた活性測定値はよく相関していたが、pIF−RSの活性はフルオロメトリーによると多少低いようである。他のアッセイに比較して不釣り合いに低いpIF−RS変異体のフルオロメトリー測定値は、レポーター内のアンバー位置の見掛けの許容性にも拘わらずT7 RNAポリメラーゼがpIF類似体の組込み後に部分的に不安定になる可能性を示している(図17c参照)。   The production of proteins containing unnatural amino acids was evaluated using a myoglobulin gene containing an amber codon at position 4. Genes were expressed in cells using pIF-RS, pAF-RS or OMT-RS mutants respectively in the presence or absence of pIF, pAF or OAT (FIG. 23d). The protein yield was equivalent for all three variants, 1-2 mg of protein per liter of unnatural amino acid-containing cell culture. On the other hand, protein production was hardly detectable in the culture medium grown in the absence of unnatural amino acids. When the proteins were analyzed by electrospray mass spectrometry, the respective masses were pIF-containing protein 18457.40 ± 0.81 (predicted value 18457.28), pAF-containing protein 18430.30 ± 0.27 (predicted value 18430.21) Met. Activity measurements obtained using Cm IC50, fluorometry and protein expression analysis correlated well, but the activity of pIF-RS appears to be somewhat lower by fluorometry. A disproportionately low fluorometric measurement of the pIF-RS mutant compared to other assays shows that T7 RNA polymerase partially incorporated the pIF analog after incorporation of the amber position in the reporter. This indicates the possibility of instability (see FIG. 17c).

多目的レポーター系の有用性。本明細書に記載するレポーター系はポジティブ選択とネガティブスクリーニングの両者に単一の多目的プラスミドを使用できるので、ポジティブ選択とネガティブ選択で交互にプラスミドを交換する必要がなくなる。全体でたった3回のポジティブ選択と1回のネガティブスクリーニングで所望非天然アミノ酸を選択的に受容するシンテターゼ変異体を同定することができた。これらの特徴によりほんの数日間で進化実験を実施することができる。このスクリーニングシステムを使用すると、非天然アミノ酸を加えた寒天プレートを使用して活性シンテターゼ変異体を容易に同定することができ、変異体のアミノ酸特異性を個々にアッセイすることができる。   Usefulness of multi-purpose reporter system. The reporter system described herein can use a single multipurpose plasmid for both positive and negative screening, eliminating the need for alternating plasmids between positive and negative selection. In total, only three positive selections and one negative screen could identify synthetase variants that selectively accept the desired unnatural amino acid. These features allow evolutionary experiments to be performed in just a few days. Using this screening system, active synthetase variants can be readily identified using agar plates supplemented with unnatural amino acids, and the amino acid specificity of the variants can be assayed individually.

上述のように、T7 RNAポリメラーゼ/GFP系はシンテターゼ変異体の活性を定量的に比較するために使用することができる。CATとバルナーゼに基づくポジティブ/ネガティブ選択を使用して本実施例に記載する3種のOAT−RSクローンと同一ライブラリーから独立して得られる別のOAT−RSクローンを入手できるので、各々に由来するシンテターゼ変異体について2種の異なる進化系を比較することが可能になる。この分析によると、ポジティブ選択とネガティブスクリーニング後に得られる3種のクローンはOATの存在下ではやや低い蛍光レベルを示すが、非天然アミノ酸の不在下では〜10分の1のバックグラウンドレベルを示す。従って、非天然アミノ酸の不在下に対して存在下で増殖させた細胞の蛍光増加はバルナーゼを使用するポジティブ/ネガティブ選択後に得られるOAT−RSクローンを発現する細胞に比較して選択とスクリーニング後に得られるOAT−RS(1)を発現する細胞が約6倍となる。この例が代表例であるか否かははっきりしないが、これらのデータはT7 RNAポリメラーゼ/GFP系が天然アミノ酸基質に対して無差別なシンテターゼ変異体を選択する際にストリンジェンシーを高くできることを示唆している。しかし、非天然アミノ酸は進化型シンテターゼ変異体との結合を競合し、天然アミノ酸の結合が減るので、非天然アミノ酸の不在下に比較して存在下で増殖させた細胞の蛍光が増加するのは非天然アミノ酸組込みの忠実度の限界が低くなることを意味すると予想される。更に、忠実度が高いことは明らかに望ましいが、所望用途に応じて忠実度と総シンテターゼ活性のどちらかをとらなければならないと思われる。   As mentioned above, the T7 RNA polymerase / GFP system can be used to quantitatively compare the activity of synthetase variants. Since each of the three OAT-RS clones described in this example can be obtained independently from the same library using positive / negative selection based on CAT and barnase, derived from each It is possible to compare two different evolutionary systems for synthetase variants. According to this analysis, the three clones obtained after positive selection and negative screening show a slightly lower fluorescence level in the presence of OAT, but a background level of 1/10 in the absence of unnatural amino acids. Thus, an increase in fluorescence of cells grown in the presence relative to the absence of unnatural amino acids is obtained after selection and screening compared to cells expressing OAT-RS clones obtained after positive / negative selection using barnase. The number of cells expressing OAT-RS (1) is about 6 times. Although it is not clear whether this example is a representative example, these data suggest that the T7 RNA polymerase / GFP system can increase stringency in selecting promiscuous synthetase variants against natural amino acid substrates. is doing. However, non-natural amino acids compete for binding with the evolved synthetase variant, and natural amino acid binding is reduced, so the fluorescence of cells grown in the presence is increased compared to the absence of non-natural amino acids. It is expected to mean a lower fidelity limit for unnatural amino acid incorporation. Furthermore, while high fidelity is clearly desirable, it appears that either fidelity or total synthetase activity must be taken depending on the desired application.

アミノアシルtRNAシンテターゼ進化の一般性。従来の報告と本実施例に記載する結果から明らかなように、M.jannaschii TyrRSのアミノ酸側鎖結合ポケットは非常に適応性がある。チロシンのフェノール側鎖の代わりに各種官能基を受容するように酵素を進化させることができ、これは高い選択性で可能である。本願では、チロシン環のパラ位にヒドロキシルの代わりにアミン、イソプロピル又はアリルエーテル官能基を受容するように酵素を進化できることが立証された。pCF非天然アミノ酸を受容することが可能な酵素変異体を同定することはできなかった。pCFアミノ酸を受容するようにシンテターゼを進化させる第2の試みも成功しなかった。LC/MS分析を使用すると、非天然アミノ酸の存在下に増殖させた大腸菌細胞のトルエン処理後にpCFを検出することができず、pCFは細胞に輸送されないか又は導入後に代謝されることを示唆している。   Generality of aminoacyl tRNA synthetase evolution. As is apparent from the conventional reports and the results described in this example, The amino acid side chain binding pocket of jannaschii TyrRS is very adaptable. Enzymes can be evolved to accept various functional groups instead of the phenolic side chain of tyrosine, which is possible with high selectivity. In this application, it has been demonstrated that enzymes can be evolved to accept amine, isopropyl or allyl ether functional groups instead of hydroxyl at the para position of the tyrosine ring. It was not possible to identify enzyme variants that could accept pCF unnatural amino acids. The second attempt to evolve synthetase to accept pCF amino acids was also unsuccessful. Using LC / MS analysis, pCF cannot be detected after toluene treatment of E. coli cells grown in the presence of unnatural amino acids, suggesting that pCF is not transported into the cell or metabolized after introduction. ing.

本実施例に記載した3種の進化実験の成功例のうちで2個以上の活性クローンを同定できたのはOAT−RSの進化のみであった。OAT−RS進化は最高活性シンテターゼ変異体を生じた実験でもあった。これらの結果は、所定のアミノ酸特異性を他よりも選択し易いことを示唆している。これは20種の天然アミノ酸のコンテキストで各種非天然アミノ酸を選択的に認識するのは比較的困難であることが一因であると思われる。例えば、pAFは構造的及び電子的にチロシンと似ているためにOATよりも選択的に認識しにくいと思われる。このために、pAF−RSクローンよりも多数のOAT−RSクローンが同定され、pAF−RSクローンが最良のOAT−RSクローンよりも低活性であるのだと考えられる。   Of the three successful evolution experiments described in this example, only the evolution of OAT-RS was able to identify two or more active clones. OAT-RS evolution was also the experiment that produced the most active synthetase variants. These results suggest that a given amino acid specificity is easier to select than others. This may be due in part to the relative difficulty of selectively recognizing various unnatural amino acids in the context of 20 natural amino acids. For example, pAF appears to be less selectively recognized than OAT because it is structurally and electronically similar to tyrosine. For this reason, a greater number of OAT-RS clones were identified than the pAF-RS clone, and it is believed that the pAF-RS clone is less active than the best OAT-RS clone.

プラスミド構築。プラスミドpREP(図17a)はT7 RNAポリメラーゼ遺伝子を含むBamHI/ApaLIオーバーラップPCRフラグメントをrrnB転写終結領域の上流に挿入した後にpBAD/Myc−HisAプラスミドからのaraC遺伝子及びaraプロモーター領域(Invitrogen;T7 RNAポリメラーゼ遺伝子の転写制御用)とGFPuv遺伝子(Clontech;T7ターミネーター領域の上流でT7プロモーターの下流)を含むApaLI/AhdIオーバーラップPCRフラグメントをプラスミドpACYC177(New England Biolabs)のAhdI/BamHI部位間に挿入することにより構築した。プラスミドpREP(1〜12)は記載位置にアンバー突然変異を含むオーバーラップPCRフラグメントでT7 RNAポリメラーゼのHpaI/ApaLIフラグメントを置換することにより構築した。プラスミドpREP/YC−JYCUAはpREP(10)からのAfeI/SacIIフラグメントとpYC−J17(Wang,L.,Brock,A.,Herberich,B.& Schultz,P.G.,Science,2001,292,498−500)からのEarI(平滑化)/SacIIフラグメントのライゲーションにより構築した。蛍光スクリーニング用プラスミドpQを含む細胞に形質転換後に所望構築物を同定した。   Plasmid construction. Plasmid pREP (FIG. 17a) contains the BamHI / ApaLI overlapping PCR fragment containing the T7 RNA polymerase gene after insertion upstream of the rrnB transcription termination region and the araC gene and ara promoter region (Invitrogen; T7 RNA from the pBAD / Myc-HisA plasmid. An ApaLI / AhdI overlapping PCR fragment containing the polymerase gene transcription control) and the GFPuv gene (Clontech; upstream of the T7 terminator region and downstream of the T7 promoter) is inserted between the AhdI / BamHI sites of the plasmid pACYC177 (New England Biolabs). It was built by Plasmid pREP (1-12) was constructed by replacing the HpaI / ApaLI fragment of T7 RNA polymerase with an overlapping PCR fragment containing an amber mutation at the indicated position. Plasmid pREP / YC-JYCUA contains the AfeI / SacII fragment from pREP (10) and pYC-J17 (Wang, L., Block, A., Herbrich, B. & Schultz, PG, Science, 2001, 292, 498-500) by ligation of EarI (smoothed) / SacII fragment. The desired construct was identified after transformation into cells containing the fluorescent screening plasmid pQ.

プラスミドpQはlacプロモーター領域の下流で大腸菌QRS終結領域の上流にScQRSを含むAatII/SalIオーバーラップPCRフラグメントと、lppプロモーター領域の下流でrrnC終結領域の上流にS.cerevisiae tRNA(CUA)Gln を含むSalI/AvaIオーバーラップPCRフラグメントと、pBR322(New England Biolabs)のAvaI/AatIIフラグメントの三重ライゲーションにより構築した。プラスミドpQDはBamHIとBglIIの間のpQフラグメントをScQRS(D291A)突然変異体のBamHI/BglIIフラグメントで置換することにより構築した。   Plasmid pQ contains an AatII / SalI overlapping PCR fragment containing ScQRS downstream of the lac promoter region and upstream of the E. coli QRS termination region, and S. pneumoniae downstream of the lpp promoter region and upstream of the rrnC termination region. It was constructed by triple ligation of SalI / AvaI overlapping PCR fragment containing cerevisiae tRNA (CUA) Gln and the AvaI / AatII fragment of pBR322 (New England Biolabs). Plasmid pQD was constructed by replacing the pQ fragment between BamHI and BglII with the BamHI / BglII fragment of the ScQRS (D291A) mutant.

プラスミドpBAD/JYAMB−4TAGはプラスミドpYC−J17(Wang,L.,Brock,A.,Herberich,B.& Schultz,P.G.,Science,2001,292,498−500)と、MjYtRNACUA の遺伝子とpBADプロモーターと挿入遺伝子のヘテロ発現用クローニング領域を含むpBAD/Myc−HisA(Invitrogen)のハイブリッドであるpBAD/YC−JYCUAプラスミドにC末端6Hisタグを含むミオグロブリンのS4アンバー突然変異体のPCRフラグメントを挿入することにより構築した。   The plasmid pBAD / JYAMB-4TAG is composed of the plasmid pYC-J17 (Wang, L., Block, A., Herberich, B. & Schultz, PG, Science, 2001, 292, 498-500) and the MjYtRNACUA gene. A pBAD / Myc-HisA (Invitrogen) hybrid pBAD / YC-JYCUA plasmid containing a pBAD promoter and a heterologous cloning region for insertion of an insert gene PCR fragment of a myoglobin S4 amber mutant containing a C-terminal 6His tag Constructed by inserting.

フルオロメトリー及びサイトメトリー分析。所望プラスミドを含む単コロニーを使用し、適当な抗体と0.002%アラビノースと必要に応じて適当な非天然アミノ酸を加えたGMML培養液2mLに接種した。培養液を飽和まで増殖させ、細胞(200μL)をペレット化してリン酸緩衝食塩水(PBS)1mLに再懸濁した。600nm吸光度により細胞密度を分析し、FluoroMax−2フルオロメーターを使用して励起波長396nm、測定波長505nmで蛍光強度を測定した。PBSに懸濁した細胞をサイトメトリーにより分析した。pREP(10)のT7ポリメラーゼ遺伝子内のアンバー位置の許容性を評価するために、レポータープラスミドを一連のサプレッサー株に形質転換した後、フルオロメトリーにより分析した。   Fluorometric and cytometric analysis. A single colony containing the desired plasmid was used and inoculated into 2 mL of GMML broth supplemented with the appropriate antibody, 0.002% arabinose and, if necessary, the appropriate unnatural amino acid. The culture was grown to saturation and the cells (200 μL) were pelleted and resuspended in 1 mL of phosphate buffered saline (PBS). Cell density was analyzed by absorbance at 600 nm, and fluorescence intensity was measured at an excitation wavelength of 396 nm and a measurement wavelength of 505 nm using a FluoroMax-2 fluorometer. Cells suspended in PBS were analyzed by cytometry. To assess the tolerance of the amber position within the T7 polymerase gene of pREP (10), the reporter plasmid was transformed into a series of suppressor strains and analyzed by fluorometry.

アミノアシルtRNAシンテターゼ変異体の進化。Y32、E107、D158、I159及びL162位をランダム突然変異させたM.jannaschii TyrRS変異体(Wang,L.,Brock,A.,Herberich,B.& Schultz,P.G.,Science,2001,292,498−500)を、pREP/YC−JYCUAを含むDH10B大腸菌細胞(Life Technologies)に形質転換させ、ダイバーシティ〜109 のライブラリーを作製した。形質転換細胞をSOC培地で60分間37℃で再生させ、LB培地で飽和まで増殖させた。1回目のポジティブ選択を開始するために、ライブラリー培養液2mLをペレット化してGMML培地に再懸濁し、25μg/mLテトラサイクリン(Tet)、35μg/mLカナマイシン(Kn)及び1mM pIF、pAF、pCF又はOAYを加えたGMML500mLに接種した。37℃で3時間培養後に終濃度75μg/mLとなるようにCmを加え、細胞を飽和まで(〜48時間)増殖させた。2回目のポジティブ選択では、Tet、Kn、75μg/mL Cm及び1mM pIF、pAF、pCF又はOAYを加えたGMML100mLに1回目のポジティブ選択からの細胞(500μL)を接種し、37℃で飽和まで(〜24〜36時間)増殖させた。ネガティブスクリーニングに備え、Tet、Kn及び0.02%アラビノース(Ara)を加えたGMML培地25mLに2回目のポジティブ選択からの細胞(100μLをペレット化してGMMLに再懸濁)を接種し、37℃で飽和まで(〜24時間)増殖させた。Araで誘導して非天然アミノ酸の不在下に増殖させた細胞(1mL)をペレット化し、リン酸緩衝食塩水(PBS)3mLに再懸濁した。Coherent Enterprise IIイオンレーザーを351nmで励起し、575/25nm帯域フィルターで発光を検出することによりBDIS FACVantage TSO細胞ソーターを使用してGFPuvを発現しない細胞を選別した。細胞を集め、TetとKnを加えたLB少なくとも10容量で希釈し、飽和まで増殖させた。3回目のポジティブ選択を開始するために、ネガティブスクリーニングからの細胞100μLをペレット化し、GMMLに再懸濁し、Tet、Kn及び1mM pIF、pAF、pCF又はOAYを加えたGMML25mLに接種した。3時間37℃で培養後に終濃度75μg/mLとなるようにCmを加え、細胞を飽和まで(〜24時間)増殖させた。3回目のポジティブ選択後に、Tet、Kn、0.002%Ara、0、75又は100μg/mL Cm、及び0又は1mMpIF、pAF、pCF又はOAYを加えたGMML/寒天に細胞を撒き、37℃で48時間増殖させた。   Evolution of aminoacyl tRNA synthetase variants. M. mutated randomly at positions Y32, E107, D158, I159 and L162. jannaschii TyrRS mutant (Wang, L., Block, A., Herberich, B. & Schultz, PG, Science, 2001, 292, 498-500), DH10B E. coli cells containing pREP / YC-JYCUA ( Life Technologies), and a library with diversity of 10 9 was prepared. Transformed cells were regenerated in SOC medium for 60 minutes at 37 ° C. and grown to saturation in LB medium. To initiate the first positive selection, 2 mL of library culture is pelleted and resuspended in GMML medium and 25 μg / mL tetracycline (Tet), 35 μg / mL kanamycin (Kn) and 1 mM pIF, pAF, pCF or Inoculated into 500 mL of GMML with OAY. Cm was added to a final concentration of 75 μg / mL after 3 hours of incubation at 37 ° C., and the cells were allowed to grow to saturation (˜48 hours). In the second positive selection, 100 mL of GMML supplemented with Tet, Kn, 75 μg / mL Cm and 1 mM pIF, pAF, pCF or OAY is inoculated with cells (500 μL) from the first positive selection until saturation at 37 ° C. ( (24-36 hours). In preparation for negative screening, 25 mL of GMML medium supplemented with Tet, Kn and 0.02% arabinose (Ara) was inoculated with cells from the second positive selection (100 μL pelleted and resuspended in GMML) at 37 ° C. Grown to saturation (˜24 hours). Cells induced with Ara and grown in the absence of unnatural amino acids (1 mL) were pelleted and resuspended in 3 mL of phosphate buffered saline (PBS). Cells not expressing GFPuv were selected using a BDIS FACVantage TSO cell sorter by exciting a Coherent Enterprise II ion laser at 351 nm and detecting luminescence with a 575/25 nm bandpass filter. Cells were collected and diluted with at least 10 volumes of LB plus Tet and Kn and grown to saturation. To initiate the third positive selection, 100 μL of cells from the negative screen were pelleted, resuspended in GMML and inoculated into 25 mL of GMML supplemented with Tet, Kn and 1 mM pIF, pAF, pCF or OAY. Cm was added to a final concentration of 75 μg / mL after culturing at 37 ° C. for 3 hours, and the cells were grown to saturation (˜24 hours). After the third positive selection, cells are plated on GMML / agar supplemented with Tet, Kn, 0.002% Ara, 0, 75 or 100 μg / mL Cm, and 0 or 1 mM pIF, pAF, pCF or OAY at 37 ° C. Grow for 48 hours.

非天然アミノ酸を含有するタンパク質の発現と特性決定。pBAD/JYAMB−4TAGと適当なpBKプラスミドで同時形質転換したDH10B細胞を使用し、KnとTetを加えたGMMLスターター培養液100mLに接種し、飽和まで増殖させた。Kn、Tet、0.002%Ara、5μM FeCl3 及び所望非天然アミノ酸(又はなし)を加えた培養液500mLにスターター培養液50mLを接種し、飽和まで(〜18時間)増殖させた。培養液をペレット化し、音波処理し、QiaExpressionist(Qiagen)His−タグ精製キットのプロトールに従ってミオグロブリンタンパク質を分離した。タンパク質を12→20%グラジエントSDSポリアクリルアミドゲル電気泳動とエレクトロスプレー質量分析により分析した。   Expression and characterization of proteins containing unnatural amino acids. DH10B cells co-transformed with pBAD / JYAMB-4TAG and the appropriate pBK plasmid were used to inoculate 100 mL of GMML starter culture with Kn and Tet added and allowed to grow to saturation. 50 mL of the starter culture was inoculated into 500 mL of the culture medium containing Kn, Tet, 0.002% Ara, 5 μM FeCl3 and the desired unnatural amino acid (or none) and allowed to grow to saturation (˜18 hours). The culture was pelleted, sonicated, and myoglobulin protein was isolated according to the protocol of the QiaExpressionist (Qiagen) His-tag purification kit. The protein was analyzed by 12 → 20% gradient SDS polyacrylamide gel electrophoresis and electrospray mass spectrometry.

実施例9−直交tRNA/スレオニルtRNAシンテターゼ対   Example 9-Orthogonal tRNA / Threonyl tRNA Synthetase Pair

本実施例は直交tRNA/スレオニルtRNAシンテターゼ対の作製を例証する。図27はThermus thermophilusに由来するスレオニル−tRNAシンテターゼを示す。このシンテターゼは2個のN末端編集ドメインと、触媒ドメインと、C末端アンチコドン結合ドメインをもつ(659アミノ酸)。T.thermophilusシンテターゼに由来する直交シンテターゼを作製するために、編集ドメインと、N1又はN1とN2をシンテターゼから除去し、N短縮T.thermophilus ThrRS(475アミノ酸)を作製した。このシンテターゼは同一触媒活性をもつが、校正活性をもたない。N短縮シンテターゼの活性をスクリーニングした。N短縮シンテターゼは大腸菌tRNAをアミノアシル化しなかった。   This example illustrates the generation of an orthogonal tRNA / threonyl tRNA synthetase pair. FIG. 27 shows a threonyl-tRNA synthetase derived from Thermus thermophilus. This synthetase has two N-terminal editing domains, a catalytic domain, and a C-terminal anticodon binding domain (659 amino acids). T.A. To create an orthogonal synthetase derived from a thermophilus synthetase, the editing domain and N1 or N1 and N2 were removed from the synthetase and an N-shortened T. pylori. thermophilus ThrRS (475 amino acids) was made. This synthetase has the same catalytic activity but no proofreading activity. The activity of N shortening synthetase was screened. N-reduced synthetase did not aminoacylate E. coli tRNA.

T.thermophilus tRNAThrは大腸菌スレオニルtRNAシンテターゼの基質であることが分かったので、T.thermophilus tRNAThrを突然変異させて直交対を作製した。図28はtRNAに行った突然変異を示す。具体的には、C2G71をA2U71に突然変異させた。in vitro負荷実験によると、この突然変異体は大腸菌スレオニルtRNAシンテターゼの基質ではないが、T.thermophilusスレオニルtRNAシンテターゼの良好な基質である。アンバーサプレッサーtRNAを作製するために、突然変異C2G71→A2U71及びG34G35U36→C34G35U36を含む別の突然変異体も構築した。C2G71→A2U71に加えてアンチコドンループも変異させた他の突然変異体tRNAも作製し、TGA、ACCA、ACAA、AGGA、CCCT、TAGA及びCTAG等の3及び4塩基コドンを抑圧した。これらの全tRNAは(A2U71をもつ)野生型tRNAThrほど良好な基質ではなかったが、T.thermophilusスレオニル−tRNAシンテターゼのアンチコドン結合部位を突然変異させることにより改良することができる。   T.A. thermophilus tRNAThr was found to be a substrate for E. coli threonyl tRNA synthetase. thermophilus tRNAThr was mutated to create an orthogonal pair. FIG. 28 shows the mutations made to tRNA. Specifically, C2G71 was mutated to A2U71. According to in vitro loading experiments, this mutant is not a substrate for E. coli threonyl tRNA synthetase, but T. It is a good substrate for thermophilus threonyl tRNA synthetase. To create an amber suppressor tRNA, another mutant was also constructed containing mutations C2G71 → A2U71 and G34G35U36 → C34G35U36. In addition to C2G71 → A2U71, other mutant tRNAs in which the anticodon loop was also mutated were prepared to suppress 3 and 4 base codons such as TGA, ACCA, ACAA, AGGA, CCCT, TAGA and CTAG. These total tRNAs were not as good substrates as wild-type tRNAThr (with A2U71), but It can be improved by mutating the anticodon binding site of thermophilus threonyl-tRNA synthetase.

実施例10−典型的O−tRNA及びO−RSの配列   Example 10-Typical O-tRNA and O-RS sequences

典型的O−tRNAは配列番号1〜3及び/又はその相補的ポリヌクレオチド配列から構成される群から選択されるポリヌクレオチド配列を含む核酸を含む。添付書類1、表5参照。同様に、典型的O−RSは配列番号35〜66から構成される群から選択されるアミノ酸配列を含むポリペプチドと、配列番号4〜34及びその相補的ポリヌクレオチド配列から構成される群から選択されるポリヌクレオチド配列を含む核酸によりコードされるポリペプチトから構成される群から選択されるポリペプチトを含む。   An exemplary O-tRNA comprises a nucleic acid comprising a polynucleotide sequence selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 1-3 and / or its complementary polynucleotide sequences. See Appendix 1, Table 5. Similarly, a typical O-RS is selected from the group consisting of a polypeptide comprising an amino acid sequence selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 35-66, and SEQ ID NOs: 4-34 and its complementary polynucleotide sequences A polypeptide selected from the group consisting of a polypeptide encoded by a nucleic acid containing the polynucleotide sequence to be encoded.

当然のことながら、本明細書に記載する実施例及び態様は例示の目的に過ぎず、これらの記載に鑑みて種々の変形又は変更が当業者に想到され、このような変形又は変更も本願の精神及び範囲と特許請求の範囲に含む。本明細書に引用した全刊行物、特許及び特許出願は全目的でその開示内容全体を参考資料として本明細書に組込む。   It should be understood that the examples and aspects described herein are for illustrative purposes only, and that various modifications and changes will occur to those skilled in the art in view of these descriptions, and such modifications or changes are not Included in the spirit and scope and claims. All publications, patents, and patent applications cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety for all purposes.












非天然アミノ酸の部位特異的in vivoタンパク質組込みを模式的に示す。Figure 3 schematically illustrates site-specific in vivo protein incorporation of unnatural amino acids. 非天然アミノ酸でアミノアシル化する活性シンテターゼの選択方法の例を模式的に示す。図2Aは非天然アミノ酸特異性をもつアミノアシルtRNAシンテターゼの選択/スクリーニングの概要を示す。An example of a method for selecting an active synthetase that is aminoacylated with an unnatural amino acid is schematically shown. FIG. 2A outlines the selection / screening of aminoacyl-tRNA synthetases with unnatural amino acid specificity. 非天然アミノ酸でアミノアシル化する活性シンテターゼの選択方法の例を模式的に示す。図2BはO−tRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化するシンテターゼの選択/スクリーニングの1態様を模式的に示す。An example of a method for selecting an active synthetase that is aminoacylated with an unnatural amino acid is schematically shown. FIG. 2B schematically illustrates one embodiment of synthetase selection / screening that preferentially aminoacylates O-tRNA with unnatural amino acids. チロシン類似体の特異的ライブラリーを作製するための部位特異的突然変異を示す。Shown are site-specific mutations to create a specific library of tyrosine analogs. 前記類似体の特異的ライブラリーを作製するためのペンタフルオロフェニルアラニン選択用コンセンサス配列を示す。Figure 2 shows a consensus sequence for selection of pentafluorophenylalanine to create a specific library of said analogs. 1種の生物(例えば大腸菌)に由来する1個のドメイン(例えばCPIドメイン)を他の生物のシンテターゼ(例えばMethanococcus jannaschii TyrRS)に移植する方法を模式的に示す。A method for transplanting one domain (for example, CPI domain) derived from one organism (for example, E. coli) to a synthetase (for example, Methanococcus jannaschii TyrRS) of another organism is schematically shown. キメラMethanococcus jannaschii/大腸菌シンテターゼの構築を模式的に示す。1 schematically shows the construction of a chimeric Methanococcus jannaschii / E. Coli synthetase. キメラシンテターゼ(例えばMethanococcus jannaschii/大腸菌シンテターゼ)のライブラリーの作製を模式的に示す。FIG. 2 schematically shows the creation of a library of chimeric synthetases (eg, Methanococcus jannaschii / E. Coli synthetase). 内在シンテターゼ(例えば大腸菌シンテターゼ)の弱い基質であり、効率的に所期コグネイトシンテターゼにより負荷されるサプレッサーtRNAの選択の1例を模式的に示す。1 schematically shows an example of selection of a suppressor tRNA that is a weak substrate for an endogenous synthetase (eg, E. coli synthetase) and is efficiently loaded by the desired cognate synthetase. 図9A及びBは突然変異アンチコドンループtRNAライブラリーを模式的に示す。図9Aは突然変異全ループライブラリーを示し、図9BはMethanococcus jannaschii tRNATyrCUAのライブラリーを示す。9A and B schematically show a mutant anticodon loop tRNA library. FIG. 9A shows a mutant whole loop library and FIG. 9B shows a library of Methanococcus jannaschii tRNATyrCUA. 水素結合以外の力により対合する非天然塩基対(PICS:PICS,3MN:3MN,7AI:7AI,Dipic:Py)の構造の例を模式的に示す。An example of the structure of a non-natural base pair (PICS: PICS, 3MN: 3MN, 7AI: 7AI, Dipic: Py) that is paired by a force other than hydrogen bonding is schematically shown. サプレッサーtRNAのネガティブ選択法の結果のグラフであり、所定時間における3種の構築物のうちの1種を含む生存細胞の百分率を示す。FIG. 6 is a graph of the results of negative suppressor tRNA selection methods showing the percentage of viable cells containing one of the three constructs at a given time. βラクタマーゼ遺伝子中のアンバーコドンの抑圧に基づくポジティブ選択を示す増殖ヒストグラム。Proliferation histogram showing positive selection based on suppression of amber codons in the β-lactamase gene. アンチコドンループ及び全ループライブラリーから選択した突然変異体サプレッサーtRNAのDNA配列を示す。The DNA sequence of the mutant suppressor tRNA selected from the anticodon loop and the entire loop library is shown. TyrRSの活性部位の立体図を模式的に示す。The stereogram of the active site of TyrRS is shown typically. TyrRSの活性部位を模式的に示す。The active site of TyrRS is shown typically. 図16A及びBは本発明の成分(例えば直交シンテターゼ)を作製するために使用したFACS選択及びスクリーニング法の1例を模式的に示す。図16Aは直交シンテターゼライブラリーとO−tRNAの発現ベクター(ライブラリープラスミド)と、1個以上のセレクターコドン(例えばTAG)を含むT7RNAポリメラーゼ/GFPレポーター系(レポータープラスミド)のベクター(例えばプラスミド)を模式的に示す。図16Bはポジティブ選択/ネガティブスクリーニングスキームを模式的に示す。FIGS. 16A and B schematically illustrate an example of a FACS selection and screening method used to make the components of the invention (eg, orthogonal synthetase). FIG. 16A shows an orthogonal synthetase library, an O-tRNA expression vector (library plasmid), and a T7 RNA polymerase / GFP reporter system (reporter plasmid) vector (eg, plasmid) containing one or more selector codons (eg, TAG). This is shown schematically. FIG. 16B schematically shows a positive selection / negative screening scheme. 増幅性蛍光レポーター系を示す。図17Aはスクリーニングに使用することができるベクター(例えば、pREP等のプラスミド)を模式的に示す。An amplifying fluorescent reporter system is shown. FIG. 17A schematically shows a vector (for example, a plasmid such as pREP) that can be used for screening. 増幅性蛍光レポーター系を示す。図17BはpREP(1〜12)内のT7RNAポリメラーゼ遺伝子構築物の組成と蛍光増加を示す。An amplifying fluorescent reporter system is shown. FIG. 17B shows the composition and fluorescence increase of the T7 RNA polymerase gene construct in pREP (1-12). 増幅性蛍光レポーター系を示す。図17CはpREP(10)とpQD(上段)又はpQ(下段)を含む細胞のサイトメトリー分析を示す。An amplifying fluorescent reporter system is shown. FIG. 17C shows cytometric analysis of cells containing pREP (10) and pQD (top) or pQ (bottom). 増幅性蛍光レポーター系を示す。図17DはpREP(10)を含み、各種大腸菌サプレッサーtRNAを発現する細胞のフルオロメトリー分析を示す。An amplifying fluorescent reporter system is shown. FIG. 17D shows fluorometric analysis of cells containing pREP (10) and expressing various E. coli suppressor tRNAs. 表面エピトープへの非天然アミノ酸の組込みのファージ選択を模式的に示す。Figure 3 schematically shows phage selection of unnatural amino acid incorporation into a surface epitope. 非天然アミノ酸特異性をもつ提示されたシンテターゼ(例えばファージに提示されたシンテターゼ)をスクリーニングするために使用する分子(例えばアミノアシルアデニル酸中間体の固定化アミノアルキルアデニル酸類似体)の1例を模式的に示す。Schematic example of a molecule (eg, an immobilized aminoalkyl adenylate analog of an aminoacyl adenylate intermediate) used to screen for displayed synthetases with unnatural amino acid specificity (eg, synthetases displayed on phage) Indicate. 各種生物に由来する各種直交対のアンピシリン耐性を示すグラフ。本図はセレクターコドン(例えばアンバーコドン)を含むレポーター遺伝子(例えばβラクタマーゼ遺伝子)と(セレクターアンチコドンを含む)サプレッサーtRNAを各々含むレポーター構築物を使用した直交対の検出例を示す。The graph which shows the ampicillin resistance of various orthogonal pairs derived from various organisms. This figure shows an example of orthogonal pair detection using a reporter construct containing a reporter gene (eg, β-lactamase gene) containing a selector codon (eg, amber codon) and a suppressor tRNA (containing a selector anticodon). 図21A及びBはロイシルtRNAのアンチコドンループを突然変異(例えばランダム突然変異)させ、例えば選択段階の組合せ(例えばβラクタマーゼに基づく選択とバルナーゼに基づく選択)を使用してセレクターコドン(例えばレポーター遺伝子中のアンバーコドン)のより効率的な抑圧について選択(図21B)することにより作製したHalobacterium NRC−1由来突然変異アンバーサプレッサーtRNAを示す。FIGS. 21A and B mutate the anticodon loop of leucyl tRNA (eg, random mutation) and use a selector codon (eg, in the reporter gene), eg, using a combination of selection steps (eg, selection based on β-lactamase and selection based on barnase). The mutant amber suppressor tRNA derived from Halobacterium NRC-1 produced by selecting for more efficient suppression (Fig. 21B). 基本コドンのtRNAサプレッサーを示す。The tRNA suppressor of the basic codon is shown. 図23A〜Dは成功した各進化実験からの優性シンテターゼ変異体の活性を示す。図23AはpREP/YC−JYCUAと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下(+)又は不在下(−)で増殖させ、長波長紫外線を照射した場合の写真である。図23BはpREP/YC−JYCUAと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下(左)又は不在下(右)で増殖させた場合のフルオロメトリー分析を示す。図23CはpREP/YC−JYCUAと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下又は不在下で増殖させた場合のCm IC50分析を示す表である。図23DはpBAD/JYAMB−4TAGと指定シンテターゼ変異体を含む細胞を対応する非天然アミノ酸の存在下(+)又は不在下(−)で増殖させた場合のタンパク質発現分析を示す。Figures 23A-D show the activity of dominant synthetase variants from each successful evolution experiment. FIG. 23A is a photograph of a cell containing pREP / YC-JYCUA and a designated synthetase mutant grown in the presence (+) or absence (-) of the corresponding unnatural amino acid and irradiated with long-wave ultraviolet light. FIG. 23B shows a fluorometric analysis when cells containing pREP / YC-JYCUA and the designated synthetase variant are grown in the presence (left) or absence (right) of the corresponding unnatural amino acid. FIG. 23C is a table showing Cm IC50 analysis when cells containing pREP / YC-JYCUA and designated synthetase variants are grown in the presence or absence of the corresponding unnatural amino acid. FIG. 23D shows protein expression analysis when cells containing pBAD / JYAMB-4TAG and a designated synthetase variant are grown in the presence (+) or absence (−) of the corresponding unnatural amino acid. ネガティブFACSスクリーニング(OAY−RS(1,3,5))又はネガティブバルナーゼ選択(OAY−RS(B))を使用して得られたOAS−RS変異体の活性比較を示す。The activity comparison of the OAS-RS variants obtained using negative FACS screening (OAY-RS (1, 3, 5)) or negative barnase selection (OAY-RS (B)) is shown. 図25A〜BはM.jannaschii TyrRSの進化を誘導するための多目的レポータープラスミド系の成分を示す。図25AはプラスミドpREP/YC−JYCUAを示す。図25BはM.jannaschii TyrRSの進化のターゲットとして使用した非天然アミノ酸の構造を示す。FIGS. The components of the multipurpose reporter plasmid system for inducing the evolution of jannaschii TyrRS are shown. FIG. 25A shows the plasmid pREP / YC-JYCUA. FIG. The structure of an unnatural amino acid used as a target for evolution of jannaschii TyrRS is shown. プラスミドpREP/YC−JYCUAを使用してアミノアシルtRNAシンテターゼを進化させるためのストラテジーを示す。A strategy for evolving aminoacyl-tRNA synthetases using the plasmid pREP / YC-JYCUA is shown. Thermus thermophilusに由来するスレオニルtRNAシンテターゼを示す。Figure 2 shows a threonyl tRNA synthetase derived from Thermus thermophilus. T.thermophilus直交スレオニルtRNA/RSのための直交tRNAの作製を示す。T.A. Figure 4 shows the creation of an orthogonal tRNA for a thermophilus orthogonal threonyl tRNA / RS. 本発明で利用される典型的非天然アミノ酸を示す。2 shows typical unnatural amino acids utilized in the present invention. 本発明で利用される典型的非天然アミノ酸を示す。2 shows typical unnatural amino acids utilized in the present invention. 本発明で利用される典型的非天然アミノ酸を示す。2 shows typical unnatural amino acids utilized in the present invention.

Claims (42)

アミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)を含む組成物であって、RSがtRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化し、RSが20種の天然の共通アミノ酸のいずれに対してよりも非天然アミノ酸に対して低いKを示し、かつ20種の天然の共通アミノ酸のいずれに対してよりも非天然アミノ酸に対して高いKcatを示す前記組成物。 A composition comprising an aminoacyl-tRNA synthetase (RS), wherein the RS preferentially aminoacylates the tRNA with an unnatural amino acid and the RS is against an unnatural amino acid over any of the 20 natural common amino acids. Said composition exhibiting a low K m and showing a higher K cat for unnatural amino acids than for any of the 20 naturally occurring common amino acids. RSが配列番号35〜64から構成される群から選択されるアミノ酸配列を含む請求項1に記載の組成物。   The composition according to claim 1, wherein the RS comprises an amino acid sequence selected from the group consisting of SEQ ID NOs: 35-64. RSがtRNAを非天然アミノ酸でin vivoアミノアシル化する請求項1に記載の組成物。   2. The composition of claim 1, wherein the RS in vivo aminoacylates the tRNA with an unnatural amino acid. 非天然アミノ酸がO−メチル−L−チロシン、L−3−(2−ナフチル)アラニン、3−メチルフェニルアラニン、O−4−アリル−L−チロシン、4−プロピル−L−チロシン、トリ−O−アセチル−GlcNAcβ−セリン、L−Dopa、フッ素化フェニルアラニン、イソプロピル−L−フェニルアラニン、p−アジド−L−フェニルアラニン、p−アシル−L−フェニルアラニン、p−ベンゾイル−L−フェニルアラニン、L−ホスホセリン、ホスホノセリン、ホスホノチロシン、p−ヨードフェニルアラニン、p−ブロモフェニルアラニン、p−アミノ−L−フェニルアラニン、及びイソプロピル−L−フェニルアラニンから構成される群から選択される請求項1に記載の組成物。   Unnatural amino acids are O-methyl-L-tyrosine, L-3- (2-naphthyl) alanine, 3-methylphenylalanine, O-4-allyl-L-tyrosine, 4-propyl-L-tyrosine, tri-O- Acetyl-GlcNAcβ-serine, L-Dopa, fluorinated phenylalanine, isopropyl-L-phenylalanine, p-azido-L-phenylalanine, p-acyl-L-phenylalanine, p-benzoyl-L-phenylalanine, L-phosphoserine, phosphonoserine, The composition of claim 1 selected from the group consisting of phosphonotyrosine, p-iodophenylalanine, p-bromophenylalanine, p-amino-L-phenylalanine, and isopropyl-L-phenylalanine. 非天然アミノ酸がチロシンアミノ酸の非天然類似体;グルタミンアミノ酸の非天然類似体;フェニルアラニンアミノ酸の非天然類似体;セリンアミノ酸の非天然類似体;スレオニンアミノ酸の非天然類似体;アルキル、アリール、アシル、アジド、シアノ、ハロ、ヒドラジン、ヒドラジド、ヒドロキシル、アルケニル、アルキニル、エーテル、チオール、スルホニル、セレノ、エステル、チオ酸、硼酸、ボロン酸、ホスホ、ホスホノ、ホスフィン、複素環、エノン、イミン、アルデヒド、ヒドロキシルアミン、ケトもしくはアミノ置換アミノ酸又はその任意組合せ;光架橋基をもつアミノ酸;スピンラベル付きアミノ酸;蛍光アミノ酸:新規官能基をもつアミノ酸;別の分子と共有又は非共有的に相互作用するアミノ酸;金属結合性アミノ酸;金属含有アミノ酸;放射性アミノ酸;フォトケージドアミノ酸、光異性化可能なアミノ酸;ビオチン又はビオチン類似体含有アミノ酸;グリコシル化又は糖鎖修飾アミノ酸;ケト含有アミノ酸;ポリエチレングリコールを含むアミノ酸;ポリエーテルを含むアミノ酸;重原子置換アミノ酸;化学分解性又は光分解性アミノ酸;延長側鎖をもつアミノ酸;毒性基を含むアミノ酸;糖鎖置換アミノ酸;糖鎖置換セリン;炭素結合糖含有アミノ酸;レドックス活性アミノ酸;α−ヒドロキシ含有酸;アミノチオ酸含有アミノ酸;α,αジ置換アミノ酸;βアミノ酸;及びプロリン以外の環状アミノ酸から構成される群から選択される請求項1に記載の組成物。   An unnatural amino acid is an unnatural analog of a tyrosine amino acid; an unnatural analog of a glutamine amino acid; an unnatural analog of a phenylalanine amino acid; an unnatural analog of a serine amino acid; an unnatural analog of a threonine amino acid; an alkyl, aryl, acyl, Azide, cyano, halo, hydrazine, hydrazide, hydroxyl, alkenyl, alkynyl, ether, thiol, sulfonyl, seleno, ester, thioacid, boric acid, boronic acid, phospho, phosphono, phosphine, heterocyclic, enone, imine, aldehyde, hydroxyl Amine, keto or amino substituted amino acids or any combination thereof; amino acids with photocrosslinkable groups; amino acids with spin labels; fluorescent amino acids: amino acids with novel functional groups; amino acids that interact covalently or non-covalently with another molecule; metal Binding amino acid Metal-containing amino acids; radioactive amino acids; photo-caged amino acids, photoisomerizable amino acids; biotin or biotin analog-containing amino acids; glycosylated or glycosylated amino acids; keto-containing amino acids; amino acids including polyethylene glycol; Heavy atom-substituted amino acids; chemically degradable or photodegradable amino acids; amino acids with extended side chains; amino acids containing toxic groups; sugar chain-substituted amino acids; sugar chain-substituted serines; carbon-linked sugar-containing amino acids; The composition according to claim 1, selected from the group consisting of: a contained acid; an aminothioacid-containing amino acid; an α, α-disubstituted amino acid; a β amino acid; RSが20種の天然の共通アミノ酸のいずれに対してよりも非天然アミノ酸に対して高いKcat/Kを示す請求項1に記載の組成物。 The composition of claim 1, wherein RS exhibits a higher K cat / K m for unnatural amino acids than for any of the 20 natural common amino acids. 直交tRNA(O−tRNA)を含む組成物であって、O−tRNAがセレクターコドンを認識し、O−tRNAが直交アミノアシルtRNAシンテターゼにより非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化され、前記組成物が直交アミノアシルtRNAシンテターゼ(O−RS)を含み、O−RSが20種の天然の共通アミノ酸のいずれに対してよりも非天然アミノ酸に対して低いKを示し、かつ20種の天然の共通アミノ酸のいずれに対してよりも非天然アミノ酸に対して高いKcatを示す前記組成物。 A composition comprising an orthogonal tRNA (O-tRNA), wherein the O-tRNA recognizes a selector codon, the O-tRNA is preferentially aminoacylated with an unnatural amino acid by an orthogonal aminoacyl tRNA synthetase, and the composition is orthogonal includes aminoacyl-tRNA synthetase (O-RS), O- RS represents lower K m also for the unnatural amino acid than to any of the twenty naturally occurring common amino acids, and the 20 naturally occurring common amino acids Said composition exhibiting a higher K cat for unnatural amino acids than for any. O−tRNAとO−RSが相補的である請求項に記載の組成物。 The composition according to claim 7 , wherein the O-tRNA and the O-RS are complementary. O−tRNAとO−RSが少なくとも1種の生物に由来する天然tRNA及びRSの突然変異により誘導され、少なくとも1種の生物が原核生物である請求項に記載の組成物。 8. The composition of claim 7 , wherein the O-tRNA and O-RS are induced by mutation of natural tRNA and RS derived from at least one organism, and the at least one organism is a prokaryote. 少なくとも1種の生物がMethanococcus jannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum及びHalobacteriumから構成される群から選択される請求項に記載の組成物。 The composition according to claim 9 , wherein the at least one organism is selected from the group consisting of Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum and Halobacterium. O−tRNAとO−RSが少なくとも1種の生物に由来する天然tRNA及びRSの突然変異により誘導され、少なくとも1種の生物が真核生物である請求項に記載の組成物。 8. The composition of claim 7 , wherein the O-tRNA and O-RS are induced by mutation of natural tRNA and RS derived from at least one organism, and the at least one organism is eukaryotic. 少なくとも1種の生物が酵母、哺乳動物、真菌、昆虫、植物及び原生生物から構成される群から選択される請求項11に記載の組成物。 12. The composition of claim 11 , wherein the at least one organism is selected from the group consisting of yeast, mammals, fungi, insects, plants and protists. O−tRNAが第1の生物に由来する天然tRNAの突然変異により誘導され、O−RSが第2の生物に由来する天然RSの突然変異により誘導される請求項に記載の組成物。 8. The composition of claim 7 , wherein the O-tRNA is induced by mutation of a natural tRNA derived from a first organism and the O-RS is induced by a mutation of a natural RS derived from a second organism. O−tRNAとO−RSが少なくとも1種の生物から単離され、少なくとも1種の生物が原核生物である請求項に記載の組成物。 8. The composition of claim 7 , wherein the O-tRNA and O-RS are isolated from at least one organism and the at least one organism is a prokaryote. 少なくとも1種の生物がMethanococcus jannaschii、Methanobacterium thermoautotrophicum及びHalobacteriumから構成される群から選択される請求項14に記載の組成物。 15. The composition of claim 14 , wherein the at least one organism is selected from the group consisting of Methanococcus jannaschii, Methanobacterium thermoautotropicum and Halobacterium. O−tRNAとO−RSが少なくとも1種の生物から単離され、少なくとも1種の生物が真核生物である請求項に記載の組成物。 8. The composition of claim 7 , wherein the O-tRNA and O-RS are isolated from at least one organism and the at least one organism is eukaryotic. 少なくとも1種の生物が酵母、哺乳動物、真菌、昆虫、植物及び原生生物から構成される群から選択される請求項16に記載の組成物。 The composition according to claim 16 , wherein the at least one organism is selected from the group consisting of yeast, mammal, fungus, insect, plant and protist. O−tRNAが第1の生物から単離され、O−RSが第2の生物から単離される請求項に記載の組成物。 8. The composition of claim 7 , wherein the O-tRNA is isolated from the first organism and the O-RS is isolated from the second organism. O−tRNAとO−RSの1種以上が1種以上のライブラリーから単離され、1種以上のライブラリーが1種以上の生物に由来するO−tRNA又はO−RSを含む請求項に記載の組成物。 One or more O-tRNA and O-RS are isolated from one or more libraries, according to claim 1 or more of the library comprises an O-tRNA or O-RS derived from one or more biologically 7 A composition according to 1. 1種以上の生物が原核生物又は真核生物を含む請求項19に記載の組成物。 20. The composition of claim 19 , wherein the one or more organisms comprises prokaryotes or eukaryotes. 組成物がO−RS及びO−tRNAを含んだ細胞を含む請求項に記載の組成物。 The composition according to claim 7 , wherein the composition comprises a cell containing O-RS and O-tRNA. 組成物がin vitro翻訳系を含む請求項1に記載の組成物。   The composition of claim 1, wherein the composition comprises an in vitro translation system. (a)第1の生物に由来する少なくとも1種のアミノアシルtRNAシンテターゼ(RS)から誘導される変異体RS分子のライブラリを作製する段階と、
(b)非天然アミノ酸又は天然アミノ酸の存在下に直交tRNA(O−tRNA)をアミノアシル化するメンバーを変異体RSのライブラリから選択又はスクリーニングすることにより、活性RSのプールを提供する段階と、
(c)活性RSのプールから選択又はスクリーニングして非天然アミノ酸の不在下にO−tRNAを優先的にアミノアシル化する活性RSを同定することにより、非天然アミノ酸に特異的なプールの少なくとも1つのメンバーを同定し、少なくとも1種の組換えO−RSを提供する段階であって、少なくとも1種の組換えO−RSがO−tRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化し、O−RSが、20種の天然の共通アミノ酸のいずれに対してよりも非天然アミノ酸に対して低いKを示し、かつ20種の天然の共通アミノ酸のいずれに対してよりも非天然アミノ酸に対して高いKcatを示すように選択される、前記段階と、
を含む方法により生産された組換えO−RS。
(A) creating a library of mutant RS molecules derived from at least one aminoacyl-tRNA synthetase (RS) derived from a first organism;
(B) providing a pool of active RSs by selecting or screening a member that aminoacylates an orthogonal tRNA (O-tRNA) in the presence of an unnatural amino acid or a natural amino acid from a library of mutant RSs;
(C) selecting or screening from a pool of active RSs to identify an active RS that preferentially aminoacylates an O-tRNA in the absence of the unnatural amino acid, thereby at least one of the pools specific for the unnatural amino acid Identifying a member and providing at least one recombinant O-RS, wherein at least one recombinant O-RS preferentially aminoacylates the O-tRNA with an unnatural amino acid, Exhibits a lower K m for unnatural amino acids than for any of the 20 natural common amino acids and a higher K for unnatural amino acids than for any of the 20 natural common amino acids said step selected to indicate cat ;
Recombinant O-RS produced by a method comprising
前記方法が非天然アミノ酸の不在下にO−tRNAを優先的にアミノアシル化するプールのメンバーをネガティブ選択する段階を含む、請求項23に記載の組換えO−RS。 24. The recombinant O-RS of claim 23 , wherein the method comprises negatively selecting a pool member that preferentially aminoacylates the O-tRNA in the absence of an unnatural amino acid. 前記方法が非天然アミノ酸の不在下にO−tRNAをアミノアシル化しないプールのメンバーをポジティブ選択する段階を含む、請求項23に記載の組換えO−RS。 24. The recombinant O-RS of claim 23 , wherein the method comprises positively selecting a member of a pool that does not aminoacylate the O-tRNA in the absence of an unnatural amino acid. 非天然アミノ酸が、O−アリル−L−チロシン、パラ−置換L−チロシン〔置換は飽和又は不飽和炭化水素を含む〕、GlcNAc−セリン、p−ヨード−フェニルアラニン、p−ブロモ−フェニルアラニン、3,4−ジヒドロキシ−L−フェニルアラニン、p−アセチル−フェニルアラニン、m−アセチル−フェニルアラニン、及び4−(2−オキソ−プロポキシ) −L−フェニルアラニンから構成される群から選択される請求項1に記載の組成物。   Unnatural amino acids are O-allyl-L-tyrosine, para-substituted L-tyrosine (substitution includes saturated or unsaturated hydrocarbons), GlcNAc-serine, p-iodo-phenylalanine, p-bromo-phenylalanine, 3, The composition of claim 1 selected from the group consisting of 4-dihydroxy-L-phenylalanine, p-acetyl-phenylalanine, m-acetyl-phenylalanine, and 4- (2-oxo-propoxy) -L-phenylalanine. object. 以下の条件(a)〜(d)を満たす対として直交tRNAシンテターゼ(ORS)及び直交tRNA(OtRNA)を含む細胞。
(a)前記ORSが前記OtRNAを優先的にアミノアシル化し、優先的なアミノアシル化は、前記ORSが細胞の前記内在tRNAの内在tRNAシンテターゼのアミノアシル化に比べて低い効率で細胞の内在tRNAをアミノアシル化することで定義され;
(b)前記ORSが任意の天然アミノ酸に比べて前記OtRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化し;
(c)前記OtRNAが前記内在tRNAシンテターゼによる内在tRNAのアミノアシル化に比べて低い効率で細胞の内在tRNAシンテターゼによりアミノアシル化され;
(d)前記OtRNAが前記細胞内のmRNAのセレクターコドンを認識し;また、非天然アミノ酸を用いたORSによるOtRNAのアミノアシル化のkcat/Kが、天然アミノ酸を用いたORSによるOtRNAのアミノアシル化のkcat/Kより大きいか、又は前記非天然アミノ酸がセレクターコドンに応じて75%より大きな忠実度で細胞内の成長ポリペプチドに組込まれる。
A cell containing an orthogonal tRNA synthetase (ORS) and an orthogonal tRNA (OtRNA) as a pair satisfying the following conditions (a) to (d).
(A) The ORS preferentially aminoacylates the OtRNA, which is preferentially aminoacylated, in which the ORS aminoacylates the cell's endogenous tRNA with lower efficiency than the aminoacylation of the endogenous tRNA synthetase of the cell's endogenous tRNA. Is defined by
(B) the ORS preferentially aminoacylates the OtRNA with an unnatural amino acid compared to any natural amino acid;
(C) the OtRNA is aminoacylated by a cellular endogenous tRNA synthetase with lower efficiency than aminoacylation of the endogenous tRNA by the endogenous tRNA synthetase;
(D) The OtRNA recognizes a selector codon of mRNA in the cell; and k cat / K m of aminoacylation of OtRNA by ORS using unnatural amino acid is the aminoacyl of OtRNA by ORS using natural amino acid. k cat / K m is greater than the reduction or the unnatural amino acid is incorporated into the growing polypeptide in a cell with greater fidelity than 75% in response to a selector codon.
前記非天然アミノ酸がO−メチル−L−チロシン、L−3−(2−ナフチル)アラニン、p−ベンゾイル−L−フェニルアラニン、p−ヨード−L−フェニルアラニン、p−ブロモ−L−フェニルアラニン、p−アミノ−L−フェニルアラニン、3,4−ジヒドロキシ−L−フェニルアラニン、及びイソプロピル−L−フェニルアラニンから構成される群から選択されるか;
非天然アミノ酸がp−アジド−L−フェニルアラニンであるか;
非天然アミノ酸がp−アセチル−L−フェニルアラニンであるか;
非天然アミノ酸がm−アセチル−L−フェニルアラニンであるか;又は
非天然アミノ酸が4−(2−オキソ−プロポキシ)−L−フェニルアラニンである請求項27に記載の細胞。
The unnatural amino acid is O-methyl-L-tyrosine, L-3- (2-naphthyl) alanine, p-benzoyl-L-phenylalanine, p-iodo-L-phenylalanine, p-bromo-L-phenylalanine, p- Is selected from the group consisting of amino-L-phenylalanine, 3,4-dihydroxy-L-phenylalanine, and isopropyl-L-phenylalanine;
Whether the unnatural amino acid is p-azido-L-phenylalanine;
Whether the unnatural amino acid is p-acetyl-L-phenylalanine;
28. The cell of claim 27 , wherein the unnatural amino acid is m-acetyl-L-phenylalanine; or the unnatural amino acid is 4- (2-oxo-propoxy) -L-phenylalanine.
前記細胞が原核細胞であるか、又は大腸菌細胞である請求項27に記載の細胞。 28. The cell of claim 27 , wherein the cell is a prokaryotic cell or an E. coli cell. 前記セレクターコドンがアンバーコドン又は4塩基コドンである請求項27に記載の細胞。 The cell according to claim 27 , wherein the selector codon is an amber codon or a 4-base codon. 直交tRNAシンテターゼが配列番号62に記載のアミノ酸配列を含む請求項27に記載の細胞。 28. The cell of claim 27 , wherein the orthogonal tRNA synthetase comprises the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 62. 直交tRNAが配列番号1に記載の配列を含む核酸によりコードされる請求項27に記載の細胞。 28. The cell of claim 27 , wherein the orthogonal tRNA is encoded by a nucleic acid comprising the sequence set forth in SEQ ID NO: 1. 以下の条件(a.)〜(d.)を満たす対として直交tRNAシンテターゼ(ORS)及び直交tRNA(OtRNA)を含む単離又は培養された真核細胞。
(a.)前記ORSが前記OtRNAを優先的にアミノアシル化し、優先的なアミノアシル化は、前記ORSが細胞の前記内在tRNAの内在tRNAシンテターゼのアミノアシル化に比べて低い効率で細胞の内在tRNAをアミノアシル化することで定義され;
(b.)前記ORSが任意の天然アミノ酸に比べて前記OtRNAを非天然アミノ酸で優先的にアミノアシル化し;
(c.)前記OtRNAが前記内在tRNAシンテターゼによる内在tRNAのアミノアシル化に比べて低い効率で細胞の内在tRNAシンテターゼによりアミノアシル化され;
(d.)前記OtRNAが前記細胞内のmRNAのセレクターコドンを認識し;非天然アミノ酸を用いたORSによるOtRNAのアミノアシル化のkcat/Kが、天然アミノ酸を用いたORSによるOtRNAのアミノアシル化のkcat/Kより大きいか、又は前記非天然アミノ酸がセレクターコドンに応じて75%より大きな忠実度で細胞内の成長ポリペプチドに組込まれる。
An isolated or cultured eukaryotic cell comprising an orthogonal tRNA synthetase (ORS) and an orthogonal tRNA (OtRNA) as a pair satisfying the following conditions (a.) To (d.).
(A.) The ORS preferentially aminoacylates the OtRNA, and preferential aminoacylation is achieved when the ORS aminoacylates the cell's endogenous tRNA with lower efficiency than the aminoacylation of the endogenous tRNA synthetase of the cell's endogenous tRNA. Defined by
(B.) The ORS preferentially aminoacylates the OtRNA with an unnatural amino acid relative to any natural amino acid;
(C.) The OtRNA is aminoacylated by a cellular endogenous tRNA synthetase with lower efficiency than the aminoacylation of the endogenous tRNA by the endogenous tRNA synthetase;
(D.) The OtRNA recognizes a selector codon of mRNA in the cell; k cat / K m of OtRNA aminoacylation by ORS using unnatural amino acid is aminoacylation of OtRNA by ORS using natural amino acid k cat / K m is greater than, or the unnatural amino acid is incorporated into the growing polypeptide in a cell with greater fidelity than 75% in response to a selector codon.
前記細胞が酵母細胞である請求項33に記載の真核細胞。 The eukaryotic cell according to claim 33 , wherein the cell is a yeast cell. 直交tRNAシンテターゼ及び直交tRNAが原核tRNAシンテターゼ及び原核tRNAから誘導される請求項33に記載の真核細胞。 34. The eukaryotic cell of claim 33 , wherein the orthogonal tRNA synthetase and the orthogonal tRNA are derived from a prokaryotic tRNA synthetase and a prokaryotic tRNA. 前記細胞が細胞培養液中にある請求項33に記載の真核細胞。 34. The eukaryotic cell of claim 33 , wherein the cell is in a cell culture medium. tRNAを非天然アミノ酸で特異的にアミノアシル化する突然変異体アミノアシルtRNAシンテターゼであって、前記アミノアシルtRNAシンテターゼが20種の共通アミノ酸のいずれよりも非天然アミノ酸に対して選択性である前記突然変異体アミノアシルtRNAシンテターゼ。   A mutant aminoacyl tRNA synthetase that specifically aminoacylates a tRNA with an unnatural amino acid, wherein the aminoacyl tRNA synthetase is selective for the unnatural amino acid over any of the 20 common amino acids Aminoacyl tRNA synthetase. 前記シンテターゼがtRNAを非天然アミノ酸でin vivoアミノアシル化する請求項37に記載の突然変異体アミノアシルtRNAシンテターゼ。 38. The mutant aminoacyl-tRNA synthetase of claim 37 , wherein the synthetase in vivo aminoacylates the tRNA with an unnatural amino acid. 及びKcatから構成される群から選択された、天然アミノ酸よりも非天然アミノ酸に対して改善又は強化された1以上の酵素特性を有する請求項37に記載の突然変異体アミノアシルtRNAシンテターゼ。 Selected from the group consisting of K m and K cat, mutant aminoacyl-tRNA synthetase of claim 37 having one or more enzymes characteristic than natural amino acids have been improved or enhanced against unnatural amino acids. シンテターゼ及びtRNA対を用いる翻訳の忠実度が、非天然アミノ酸を含んだジヒドロ葉酸レダクターゼの分析により決定される場合99%より大きい請求項37に記載の突然変異体アミノアシルtRNAシンテターゼ。 38. The mutant aminoacyl-tRNA synthetase of claim 37 , wherein the fidelity of translation using a synthetase and tRNA pair is greater than 99% as determined by analysis of dihydrofolate reductase containing unnatural amino acids. 非天然アミノ酸が図30又は31に記載の非天然アミノ酸の1種である請求項37に記載の突然変異体アミノアシルtRNAシンテターゼ。 38. The mutant aminoacyl-tRNA synthetase according to claim 37 , wherein the non-natural amino acid is one of the non-natural amino acids shown in FIG. 前記シンテターゼがM.jannaschii Tyrシンテターゼのアミノ酸配列のTyr32、Clu107、Asp158、Ile159又はLeu162から選択されたアミノ酸の突然変異体を含むチロシンシンテターゼである請求項37に記載の突然変異体アミノアシルtRNAシンテターゼ。
The synthetase is M.P. 38. The mutant aminoacyl-tRNA synthetase of claim 37 , which is a tyrosine synthetase comprising a mutant of an amino acid selected from Tyr32, Clu107, Asp158, Ile159 or Leu162 of the amino acid sequence of jannaschii Tyr synthetase.
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